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Constante diélectrique et mouvement brownien. Perte d’énergie d’une particule dans un plasma instable
Yves Soulet
To cite this version:
Yves Soulet. Constante diélectrique et mouvement brownien. Perte d’énergie d’une particule dans un plasma instable. Journal de Physique, 1970, 31 (4), pp.321-328. �10.1051/jphys:01970003104032100�.
�jpa-00206910�
CONSTANTE DIÉLECTRIQUE ET MOUVEMENT BROWNIEN.
PERTE D’ÉNERGIE D’UNE PARTICULE DANS UN PLASMA INSTABLE
Yves SOULET
(*) (Reçu
le 25juin 1969)
Résumé. 2014 Dans une
première publication
[1] la théorie de la constantediélectrique
a étédéveloppée
d’une manière générale à partir de l’équation de Liouville. Les auteurs ont alors misen évidence le rôle important qu’elle joue dans l’expression des coefficients de Fokker-Planck donnant l’évolution d’une distribution homogène de
particules
incidentes dans un milieuauquel
elles sont faiblement couplées, ceci dans deux cas particuliers : milieu à l’équilibre et milieu décrit à
l’approximation
des anneaux. Dans cettepublication
l’expression de la corrélationspatio- temporelle
de deux grandeurs locales est établie en ne faisant aucune approximation sur le milieuet il est montré que le coefficient de diffusion de
l’équation
de Fokker-Planck mentionnée ci-dessuss’exprime
àl’approximation
des temps longs avec la corrélationspatio-temporelle
de densité.Le rôle fondamental de la constante
diélectrique
d’un milieu à l’équilibre décrit à l’approximation des anneaux est ensuite étudié dans les deux cas suivants : évolution markoffienne d’une distri- bution faiblement inhomogène et évolution non-markoffienne d’une distribution très éloignée de la maxwellienne et fortementinhomogène.
La perted’énergie
d’uneparticule
lourde dansun
plasma
instable est enfin examinée et le rôle « accélérateur » d’un tel milieu est mis en évidence.Abstract. 2014 In an earlier paper [1] the theory of the dielectric constant was
developped
in a general way from the Liouvilleequation.
The autorspointed
out its important role in the expres- sions of the Fokker Planck coefficientsgiving
the evolution of an homogeneous distribution of incidentparticles weakly coupled
with a medium in twoparticular
cases : equilibrium state andring approximation.
In this paper thespatio-temporal
correlation of twophysical quantities
is established without any approximation and it is shown that the Fokker-Planck diffusion coeffi- cient can in the long time
approximation
case beexpressed
with the spatio-temporal density correlation. The markoffian evolution of aweakly
inhomogeneous distribution and the non-markofhan evolution of a
strongly inhomogeneous
distribution are shown to be described by the dielectric constant if the medium is atequilibrium
and described in the ringapproximation.
The energy-loss of a heavy particle
through
an unstable plasma is examined and the « accelerator »role of such a medium is
pointed
out.PHYSIQUE 31, 1970,
1. Introduction. - Une
expression microscopique
de la corrélation
spatio-temporelle
de deuxgrandeurs
locales est établie au
paragraphe
2 àpartir
de la défi- nitiongénéralement
utilisée. On a choisi pour cela le formalisme duproblème
à N corpsclassique développé
par I.
Prigogine,
R. Balescu et leurs collaborateursavec les notations et conventions utilisées dans la référence
[1].
Dans lapremière publication [1] (~)
il aété défini une constante
diélectrique
en ne faisantaucune
approximation
sur lemilieu ;
il a été montréque
l’équation
de Fokker Planck décrivant l’évolution departicules
incidentes dans un milieu àl’équilibre
ou décrit à
l’approximation
des anneauxauquel
elleselles sont faiblement
couplées
avait des coefficients’exprimant uniquement
avec lapartie imaginaire
de laconstante
diélectrique.
Dans leprésent
travail nousnous proposons de montrer au
paragraphe
3 que si le milieu est décrit àl’approximation
des tempslongs,
approximation
faite pour passer de(1.2. 1)
à(I.2.21),
les coefficients de
l’équation
mentionnée ci-dessuss’expriment uniquement
avec lapartie imaginaire
de laconstante
diélectrique
et lapartie
réelle de la corréla- tionspatio-temporelle
de densité.Il est intéressant de continuer à examiner tous les cas où la constante
diélectrique joue
un rôle fondamental dans la théorie du mouvement brownien. Nous allons d’abord montrer auparagraphe
4 que, si le milieu est àl’équilibre
et est décrit àl’approximation
des anneaux,l’équation
de Fokker-Planck décrivant l’évolution d’une distribution departicules
incidentes faiblementinhomogène
à deux termes de collisions’exprimant uniquement
à l’aide de la constantediélectrique,
l’unagissant sur
la fonction dedistribution,
l’autreagissant
sur son
gradient.
Auparagraphe
5 nous allons ensuite trouver que l’évolution d’une distribution departi-
cules incidentes très
éloignée
de la maxwellienne oufortement
inhomogène
est décrite par uneéquation
du type Fokker-Planck dont
l’opérateur
de collision délocalisé dansl’espace
et dans le tempss’exprime
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01970003104032100
322
uniquement
avec lapartie imaginaire
de la constantediélectrique
« exacte ».Nous utiliserons enfin
l’expression
de la perted’énergie
d’uneparticule
lourde traversant un milieuauquel
elle est faiblementcouplée
en fonction de la constantediélectrique
« exacte » pour montrerqu’il
peut y avoir accélération si le milieu est un
plasma instable,
effetqui
estrapproché
de l’effetd’amplifi-
cation d’ondes
électromagnétiques
par un tel milieu.Il n’est pas
possible
dereproduire
ici l’ensembledes raisonnements et des calculs nécessaires à l’obten- tion des résultats
annoncés ;
on les trouvera dans la référence[T].
2.
Expression microscopique
de la corrélationspatio- temporelle
de deuxgrandeurs
locales. - La corréla-tion
spatio-temporelle
de deuxgrandeurs
localesa(X,
xs,vs)
et xs,vs),
lapremière
considéréeau
point
X à l’instant t et la deuxième considérée aupoint
X’ à l’instantt’,
est selon la définition habituelle :Les
grandeurs
évoluent dans letemps
suivantl’équa-
tion :
ou
avec
et
Il est aisé de trouver la fonction de Green causale de
l’équation (2.2)
étant donné la similitudequ’elle présente
avecl’équation
d’évolution de la fonction de distribution dusystème ;
on trouve :Après
avoirremarqué
que lesgrandeurs
intéressantes onttoujours
la forme :la corrélation
spatio-temporelle
devient :Le milieu étant
homogène,
cette corrélation nedépend
en fait que de X -
X’ ;
surl’expression (2.4)
onconstate
qu’elle
nedépend
que de t- t’et t’ puisque
la fonction de Green du
système
ne
dépend
que de t- t’ ;
on est ainsi conduit à poser :L’identification de
(2.4),
où on a faitapparaître
latransformée de
Fourier-Laplace
de la fonction de Green dusystème,
la transformée de Fourier de la fonction de distribution dusystème (développement
de la référence
[ 1 ] )
et la transformée de Fourierali(vi)
de la
grandeur a(ui, vi),
avec(2.5) conduit,
en dési-gnant
l’instant t’ par t, àIl est clair que cette
expression peut
être modifiéecomme
l’expression
de la constantediélectrique
enfaisant
apparaître
lesfragments
création de corréla-tion ;
ainsi si le milieu est traité àl’approximation
des temps
longs
nous aurons,parallèlement
à(I . 2. 22) :
soit encore,
parallèlement
à(1.2.23) :
où zl,
Si, Z2) et
zl,SJ, Z2)
sont les contri- butions des« diagrammes
modifiés »respectivement représentés
sur lesfigures
1 et 2. Ces« diagrammes
FIG. I.
modifiés » diffèrent des
diagrammes
habituels par laprésence
d’un « sommetdistingué »
sur laligne
corres-pondant
à laparticule j,
sommet où iln’y
a pas conser- vation de la somme des vecteurs d’onde.Si désigne
laFIG. 2.
contribution de ce sommet, la variable de
Laplace
estz 1 à sa
gauche
et z2 à sadroite ;
la seuleligne
sortanteà
gauche correspond
à laparticule
i ayant le vecteur d’onde k. Notons quegrâce
à cette nouvelle notation(I.2.23)
s’écrit :L’expression (2. 8)
donne ainsi la valeur de la corré- lationspatio-temporelle
de deuxgrandeurs
localescomme une fonctionnelle de la fonction de distribution des vitesses
cp(v, t)
du milieu. Il faut toutefois remar-quer que si l’on n’avait pas fait
l’approximation
destemps longs
pour le passage de(2.6)
à(2.7)
on auraitobtenu une
expression
exacte de cette corrélationavec une contribution non-markoinenne de
cp(v, t)
et une contribution des conditions initiales
pls(vs, 0) [T].
3.
Expression
des coefficients del’équation
deFokker-Planck à l’ordre
eT.
- Dans la référence[I]
on avait obtenu
l’expression
du coefficient de friction del’équation
dutype
de Fokker-Planck décrivant l’évolution de la fonction de distribution des vitesses departicules
incidentes dans un milieu décrit àl’appro-
ximation des
temps longs auquel
elles sont faiblementcouplées,
à savoir :où
La corrélation
spatio-temporelle
dechamp
local secalcule avec
et aura pour
expression d’après (1.8)
La
comparaison
de(3. 1)
et(3.3)
donne directement :formule
déjà
établiesemi-phénoménologiquement
dans le cadre de
l’approximation
des anneaux[7, 8].
Compte
tenu de la relation(I.4.11)
nous constatonsque le terme de collision de
l’équation
de Fokker- Planck mentionné ci-dessuss’exprime uniquement
àl’aide de la
partie imaginaire
de la constante diélec-trique
et de lapartie
réelle de la corrélationspatio- temporelle
dechamp
local. Dans le cas où le milieu est àl’équilibre
ou est décrit àl’approximation
desanneaux il
s’exprime uniquement
à l’aide de lapartie imaginaire
de la constantediélectrique [1].
4.
Expression
des coefficients del’équation
deFokker-Planck
inhomogène.
- On se propose de traiter le mêmeproblème
queprécédemment
maisavec des
particules
incidentes ayant une fonction de distribution faiblementinhomogène
et dans le cas oùle milieu est simultanément à
l’équilibre
et traité àl’approximation
des anneaux ; autrement dit on se propose de calculer les coefficients del’équation :
Parallèlement à
~I.3.3)
nous pouvons écrire le terme de collission de cetteéquation
sous la forme :Le coefficient de diffusion s’en déduit
aisément ;
ils’écrit :
après
avoir effectuél’intégrale
sur di. Enconséquence
de l’étude détaillée des échelles de temps
[1] (temps
decollision et temps
hydrodynamique)
on effectue ledéveloppement
enpuissances
deK.wT/k.wT
et onne conserve que les termes d’ordre inférieur ou
égal
àun. Les termes d’ordre zéro
donnent, après
avoir effectuél’intégrale
sur dz ennégligeant
l’effet despôles
des
quantités
comme cela est
expliqué
dans la référence[1],
le324
coefficient obtenu en
(I . A .14).
LesüG
termes d’ordre un s’écrivent :
et se
transforment,
en utilisant le mêmeprocédé
que dans la référence[I]
en :D’après
le raisonnement del’appendice
il est clair quele deuxième terme ci-dessus
jouant
lerôle de
f (t). Quant
aupremier
il peut facilement être transformé si l’on remarque,qu’à l’approximation
des anneaux
A(k~i~,
zl,sJ, Z2)
ne contient pas z2 et pourra être notéA(k(i),
zi,Sj) ;
il devient ainsi :soit encore :
Le coefficient de diffusion de
l’équation (4.1)
est donc :où
Par une méthode semblable
[T]
on obtient le coefh- cient de friction :avec
En
repassant
àl’espace physique l’équation
d’évo-lution de la fonction de distribution des
particules
incidentes
prend
la forme :Il est
remarquable
que les deuxopérateurs
decollision,
celuiagissant
sur la fonction de distribu- tion et celuiagissant
sur legradient
de cettedernière, s’expriment uniquement
à l’aide de la constante dié-lectrique qui apparaît
ainsi comme unegrandeur caractéristique
fondamentale duplasma
traité àl’approximation
des anneaux. Si legradient
de lafonction de distribution est très
grand,
il est très clairque l’évolution de cette fonction ne
peut
être décrite parl’équation (4.4)
essentiellementmarkoflienne ;
cette remarque
suggère
l’étude duparagraphe
suivant.5.
Equation
non markoffienne dutype
Fokker- Planck. - Il a été montré[T] qu’une équation
décri-vant l’évolution à l’instant t de la fonction de distri- bution de
particules
incidentes dans un milieu est nécessairement markofhenne si le terme de collisionagissant
sur cette fonctionprise également
à l’instant t est limité à l’ordree2 .
Toutefois onpeut
être amené à étudierl’équation
d’évolution ayant un terme de collision non markofhen limité à l’ordre cela seranécessaire si les
particules
incidentes ont une fonction de distribution trèséloignée
de la maxwellienne ouprésentant
une très forteinhomogénéité
bien que l’étude suivantepuisse
être menée dans le cas d’unmilieu à
l’équilibre
traité « exactement »(’)
on va seborner au cas où le milieu à
l’équilibre
est traité« exactement » à
l’approximation
des anneaux ; c’estévidemment lè cas le
plus
intéressant en cequi
concerneles
applications.
Reprenons l’expression (1.2.19)
de la constantediélectrique
et portons-yelle
devient, après
avoir effectuél’intégrale
sur dialors devenu triviale :
soit encore :
où
01,(k(i),
zl,Sj)
est la contribution desdiagrammes
modifiés de la
figure
3.FIG. 3.
Les contributions à
t),
dont unexemple
estreprésenté
par lafigure 4, peuvent, grâce
au théo-rème de factorisation de Résibois
[9] prendre
laforme :
FIG. 4.
(2) Par « exactement » on entend « sans négliger la contri- bution des corrélations initiales et la contribution des termes transitoires des opérateurs de collision ».
où le
système
étant àl’équilibre :
et où
PIS(k(i)’
zl,Sj)
est la contribution desdiagrammes
modifiés de la
figure
5.FIG. 5.
Le contour c’ entourant
uniquement
lespôles
del’intégrale
sur dz’ est alors triviale. Il suffit ensuite deprendre
la dérivée par rapport au temps des deux membres de(5.2)
ainsi transformée pour obtenir : -.qui
est de la forme :Il est normal d’avoir mis cette
équation
sous unetelle forme où
n’apparaît
pas la contribution des conditionsinitiales ;
eneffet,
le milieu étant àl’équi- libre,
l’instant initial ne peut pasjouer
un rôleprivilé- gié.
Nous allons seulement détailler le calcul du coefficient de diffusion :Cette
expression
peut être transformée de la ma-nière
qui
apermis
de passer de(1.4.4)
à(I.4. 8) ;
ilvient ainsi :
326
soit en se rapportant à
(5.1) :
En effet le deuxième ternie de
(5.6)
n’est autre que :Notons que cette dernière
égalité justifie a posteriori
le raisonnement del’appendice.
Il vient ensuite[T] :
C’est bien sur le cas où la fonction de distribution des
particules
incidentes estinhomogène qui
est leplus
intéressant.
L’équation parallèle
àl’équation (5.4)
est :et ses coefficients sont
[T] :
En
repassant
àl’espace physique
nous trouvons :qui
est uneéquation
d’évolution avec un terme de collision « délocalisé dans le temps et dansl’espace
».Dans ce cas encore nous constatons que la constante
diélectrique,
intervenant par sonexpression
exacte,joue
un rôle fondamental. Il faut noter que les calculsqui
viennent d’être faits peuvent être étendus à tout milieu en état stationnaire et c’est là que se trouverait leursplus
intéressantesapplications (décharges
entre-tenues par
exemple).
6. Perte
d’énergie
d’uneparticule
lourde traversantun
plasma
instable. - On peut modifierl’expression (I . 2.19)
de la constantediélectrique
sans fairel’appro-
ximation des temps
longs
sur lemilieu ;
au lieu del’expression (1.2.23)
on obtient ainsi :+ contribution des corrélations initiales.
(6.1)
En
partant
del’équation cinétique
« exacte », dont(I.3.3)
est la formeapprochée
àl’approximation
destemps
longs
il est aisé de montrer[T]
que la formule(1.3.2)
donnant laperte d’énergie
d’uneparticule
lourde traversant un milieu
auquel
elle est faiblementcouplée
estrigoureusement
« exacte ». Nous nousproposons d’utiliser cette formule dans le cas où le milieu est un
plasma instable,
c’est-à-dire dans le casoù des zéros de la constante
diélectrique
sont situésdans le
demi-plan supérieur (on
sereporte
ici auxnotations de la référence
[1]),
vontjouer
un rôlefondamental ;
eneffet,
au lieu de donner lieu à des contributionsamorties,
ils sontresponsables
del’apparition
de termes croissants dans letemps.
Nous allons supposer que le
plasma peut
être décrit àl’approximation adiabatique
des anneaux et dans cecas, seul reste le
premier
terme de(6.1).
Il y a lieu depréciser
toutefois quel’expression (I.2.23)
écritepour un
plasma
instable n’est valable que si lapetitesse
du
rapport
des massesmlm,
n’est pascompensée
parune
grande
valeur desfluctuations ;
sous cette condi- tion laperte d’énergie
s’écrit :où
c V t)
est la constantediélectrique
del’approxi-
mation de Vlassof définie dans la référence
[1]. Suppo-
sons que pour certaines valeurs de
k,
constituant par définition le domaineDk, t)
ait un seul zéro situédans le
demi-plan complexe supérieur
et que les autres zéros soient dans ledemi-plan complexe
inférieur etdonnent lieu à des contributions fortement amorties que l’on
négligera.
Laperte d’énergie (6.2)
devientalors, compte
non tenu des contributions initiales :où
t)
est défini par la relation :Il
apparaît
donc un termesupplémentaire
parrapport
à
l’expression (I.3.2),
terme lié à l’existence du zéro de la constantediélectrique
dans ledemi-plan complexe supérieur.
Si l’on suppose que le milieu estisotrope
il est facile de montrer
[T]
que ce termesupplémentaire
est nécessairement
positif :
la perted’énergie
peutdonc,
a
priori,
devenirpositive.
Pourpréciser
cettepossibilité
il est intéressant de
prendre l’exemple
dc fonction de distributiondéjà
utilisée dans la référence[10]
condui-sant à une constante
diélectrique
ayant pour certaines valeurs du vecteurd’onde,
un zéro dans ledemi-plan complexe supérieur ;
cette fonction dedistribution, représentée
sur lafigure 6,
est :FIG. 6.
Un calcul laborieux
[T] permet
d’obtenir les conclu- sions suivantes :- pour w~ V, la perte
d’énergie
estpositive,
en effet elle s’écrit :
+ terme nécessairement
positif.
- pour
w, »
0 laperte d’énergie
est nécessaire- mentnégative,
il est un effet normalqu’une particule
très
rapide
devant lesparticules
du milieu soittoujours
freinée.- il existe donc au moins une vitesse telle que toute
particule
lourde animée de cette vitesse traverse le milieu sans subir aucun effet. Il serait semble-t-ilpossible
de modifier la réalisationexpérimentale
desauteurs de la référence
[11]
afin depouvoir
vérifiercette
afhrmation ;
cette vérification nepourrait
être quequalitative puisque
la fonction de distribution des vitesses des électrons de ladécharge
n’est pas bienconnue.
Pour des
particules
de même masse que lesparticules
du milieu 1?étude de la perte
d’énergie, qui
se ferait àpartir
d’une formule du type(I.4.13)
estbeaucoup plus complexe
etdépasse
le cadre de cetravail ;
néan-moins on peut s’attendre à ce que la perte
d’énergie
d’une telle
particule (qui
peut être uneparticule
dumilieu
lui-même) puisse
êtrepositive
cequi expliquerait
l’existence d’un nombre
important
departicules
ayantune vitesse
beaucoup plus grande
que la vitesse moyenne desparticules
du milieu[11, 12, 13, 14, 15].
Dans uneréalisation
expérimentale
telle que celle de la référence[15]
on peut concevoirqu’une grande partie
des par- ticules sert à créer leplasma
et que lesparticules
res-tantes
jouent
le rôle departicules d’épreuve.
Il ne faitaucun doute que ce même résultat donne une
explica-
tion satisfaisante de l’accélération des
particules
duvent solaire dans l’onde de choc limitant le
magnéto- sphère [16, 17, 18] ;
eneffet,
larégion
de cette ondede choc
présente
bien les caractères d’unplasma
instable
[19].
Mais là encore, une étudequantitative
du
phénomène, dépassant
le cadre de cetravail,
est nécessaire.Pour terminer il faut encore remarquer que cet effet d’accélération de
particules
est absolument semblable à l’effet d’accélération departicules
est absolumentsemblable à l’effet
d’amplification
d’ondes électroma-gnétiques
H. F. mis en évidence dans le travail de P. Rolland[20] ;
dans les deux cas le milieu cède del’énergie
sous une formeorganisée.
Appendice.
- Soitf (t)
unegrandeur physique
donnée par :
où la contribution fortement amortie des
pôles
deg(z)
estnégligeable ;
c’est le cas des corrélations ou de la constantediélectrique
d’un milieu àl’équilibre.
Considérons la
quantité :
Une
intégration
parparties
donne immédiatementSi f (t)
est unecorrélation,
c’est-à-dire unequantité
constante dans le temps on a
h(t) =
0. Par contre sif (t)
est la constantediélectrique,
les valeurs de cettegrandeur
pour les temps courts, intervenant dansl’intégrale
surdi, jouent
un rôle fondamental dansl’expression
deh(t).
Dans lepremier
cas on peut dire que les valeurs de la corrélation pour les temps courts n’interviennent pascar f (t)
oscille autour de la valeurconstante de la corrélation alors que le deuxième cas
f (t)
oscille autour d’une valeurqui
passe de zéro à la valeur constante de la constantediélectrique.
Remerciements. - L’auteur tient à remercier par- ticulièrement les Professeurs I.
Prigogine
et R. Balescu(Université
libre deBruxelles)
pour l’intérêtqu’ils
ontporté
à ce travailqui
a été rendupossible grâce
à unappui
financier des Instituts Internationaux dePhysique
et de Chimie fondés par E.
Solvay.
328
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