Friday, August 22, 2025

More Plasma Physics: Looking At Nonlinear Electrostatic (BGK) Waves (Part III)

 Case 2 - Application to ion-acoustic solitons and shocks:

Take:

v eo  =  v io  =  u o

 And:  Electron, ion streaming at same speed, i.e.

Ti= 0,  Te  ≠ 0

Electron thermal speed: 

v eo 2 =   2Te /me

Ion sound speed:  cs 2  = Te /mi

We can then write:

n i  =  n o /Ö 1 -  2e j /mi uo2 

With electron distribution function:

f s  ~  n s  =    A n so- v 2  -   2e j  /me v oe2  )

Making assumption:   

uo2  < <  v oe2

We get for the number density:

n e  =    n o  exp [e j  /Te ]

Note: Boltzmann distribution, given:

exp ( 2e j  /me v oe2 )   =    exp [e j  /Te ]

Therefore:  

d 2j/ d x2    =  4 p  e (n e – n i) = 

4 p  n o e (exp [e j  /Te ]  - 1 /Ö 1 -  2e j /mi uo2 ) 

We now seek to reframe this equation non-dimensionally using:

F = e j/ Te

Proceeding:

{2 e j/ Te }/mi uo2 / Te)   =    2F / uo2 /  cs 2  =   2 F/M s 2


Where M s  is the sonic shock number.

Then:

4 p  n o e (exp [e j  /Te ]  - 1 /Ö 1 -  2e j /mi uo2 )   =

4 p  n o e (exp [F]  - 1 /Ö 1 -  2 F/M s 2 ) 

Whence:  

d 2/ d x2  {exp [e F /Te }  =  4 p  n o e 2/Te [exp [F]  - 1 /Ö 1 -  2 F/M s 2 ]

Or:

d 2j/ d x2    =   1/l e 2   [exp [F]  - 1 /Ö 1 -  2 F/M s 2 ]

We have in summary:

F = e j/ Te  ,  x =  x/ le    And:   M s  =   uo / cs


Then:   d 2 F/ d x 2  =   exp (F) -  1Ö(1 – (2 e F)/ (M s )2  =    -   y/  j 

Which is the dimensionless Poisson equation

Where:   Y  =  exp (F) - 1/ Ö(1 – (2 e F)/ M s 2)  +  C

We require for self-consistent solutions:

1)  y   (F =0)  =  0       Þ    C  =  1 +  M s 2

2)  d 2 Y / d F 2 ‖f =0     < 0

3) y  (F c )  >  0

Which leads to:  1  -   exp [M s 2 /2]    +  M s 2   >  0

Hence:    

M s   <  1.6

Thus for a soliton (shock) solution associated with case 2 to exist:

1   <    M s    <  1.6

No comments: