Implementación de una interfaz gráfica para la simulación de plasmas electrostáticos y su aplicación en el estudio de ondas solitarias observadas en al región aural y otras regiones de la magnetosfera

Este trabajo de grado cuenta con un modelo teórico desarrollado, modelo computacional, interfaz gráfica y simulaciones de plasma electrostático. dentro de sus anexos se encuentran los códigos desarrollados para este trabajo los cuales pueden ser consultado en el sitio : Github://gitfront.io/r/user-1...

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Autores:
Osorio Tascón, Juan Camilo
Gómez Tabares, Oscar Julián
Tipo de recurso:
Trabajo de grado de pregrado
Fecha de publicación:
2021
Institución:
Universidad Tecnológica de Pereira
Repositorio:
Repositorio Institucional UTP
Idioma:
spa
OAI Identifier:
oai:repositorio.utp.edu.co:11059/13902
Acceso en línea:
https://hdl.handle.net/11059/13902
https://repositorio.utp.edu.co/home
Palabra clave:
530 - Física
Inestabilidad en el plasma
Procedimientos electrostáticos
Atmosfera superior
Magnetosfera
Procesos electrostáticos
Onda solitaria
Rights
openAccess
License
Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
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description Este trabajo de grado cuenta con un modelo teórico desarrollado, modelo computacional, interfaz gráfica y simulaciones de plasma electrostático. dentro de sus anexos se encuentran los códigos desarrollados para este trabajo los cuales pueden ser consultado en el sitio : Github://gitfront.io/r/user-1533735/bc0c57d4d1f428ba39910dfde17342a16c0dd00c/PEWAV/
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spelling Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)Manifiesto (Manifestamos) en este documento la voluntad de autorizar a la Biblioteca Jorge Roa Martínez de la Universidad Tecnológica de Pereira la publicación en el Repositorio institucional (http://biblioteca.utp.edu.co), la versión electrónica de la OBRA titulada: ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ La Universidad Tecnológica de Pereira, entidad académica sin ánimo de lucro, queda por lo tanto facultada para ejercer plenamente la autorización anteriormente descrita en su actividad ordinaria de investigación, docencia y publicación. La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 dehttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/http://purl.org/coar/access_right/c_abf2info:eu-repo/semantics/openAccessRiascos Landázuri, HenryOsorio Tascón, Juan CamiloGómez Tabares, Oscar JuliánGrupo de investigación GPLA (Plasma láser y aplicaciones)2022-02-17T16:49:12Z2022-02-17T16:49:12Z2021https://hdl.handle.net/11059/13902Universidad Tecnológica de PereiraRepositorio UTPhttps://repositorio.utp.edu.co/homeEste trabajo de grado cuenta con un modelo teórico desarrollado, modelo computacional, interfaz gráfica y simulaciones de plasma electrostático. dentro de sus anexos se encuentran los códigos desarrollados para este trabajo los cuales pueden ser consultado en el sitio : Github://gitfront.io/r/user-1533735/bc0c57d4d1f428ba39910dfde17342a16c0dd00c/PEWAV/Para este trabajo se construyó una interfaz gráfca a partir del lenguaje de programación Python para simulación de plasmas electrostáticos tomando como base el código OneGPLA.py desarrollado anteriormente en el grupo de investigación GPLA. Esto se hizo con la fínalidad de brindar una herramienta académica para el estudio de plasmas bajo condiciones que no son fácilmente reproducibles ya sea por la falta de los instrumentos o infraestructura necesaria para ello, como por su poca probabilidad de obtenerla aquí en la tierra, por ejemplo, el caso del plasma astrofísico. Es así que al implementar la interfaz gráfca: Plasma Electrostatic Wave (PEWAV), el cual utiliza el algoritmo enfocado en la dinámica de múltiples partículas llamado Particle-in-Cell (PIC), se decidió aplicarlo en las inestabilidades electrónicas del plasma para corroborar que bajo ciertas condiciones dichas inestabilidades son el mecanismo principal de generación de las ondas solitarias electrostáticas (OSE) que han sido observadas en algunas regiones de la magnetosfera como la zona de media y alta altitud.Índice general Índice general 3 Índice de tablas 5 Índice de guras 6 Resumen y Agradecimientos 8 1. Introducción 9 1.1. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.1. Objetivos Generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.2. Objetivos especí cos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2. Modelo Teórico 11 2.1. Magnetosfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2. Teoría Cinética del Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3. Longitud de Debye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.4. Frecuencia del Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5. Velocidad Térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.6. Amortiguamiento de Landau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.7. Inestabilidades en el Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.7.1. Inestabilidad Two-Stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.7.2. Inestabilidad Bump-of-Tail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.7.3. Inestabilidad Beam-Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.8. Teoría de Fluido del Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.8.1. Ecuación de Continuidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.8.2. Ecuación de Momento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.8.3. Ecuación de estado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.9. Ondas Solitarias y la Ecuación Korteweg-de Vries . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3. Modelo Computacional 25 3.1. Método Particle-in-Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.1. Método de ponderación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1.2. Integración de las ecuaciones de campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.1.3. Integración de las ecuaciones de movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.1.4. Condiciones de frontera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.5. Normalización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.6. Condiciones iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3 4 ÍNDICE GENERAL 4. Interfaz Grá ca PEWAV 30 4.1. Librerías Usadas de Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.1. Numpy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.2. Pandas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.3. Tkinter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.4. Matplotlib . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.1.5. H5py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.2. Adaptación de los códigos OneGPLA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.3. Composición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.3.1. ROneGPLAfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.3.2. ROneGPLA_AIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.3.3. PEWAV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.4. Manual de Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.4.2. Ejecución de la Interfaz: Introducción al Entorno . . . . . . . . . . . . . 37 4.4.3. Elementos de la Interfaz : Condiciones Iniciales . . . . . . . . . . . . . . 38 4.4.4. Elementos de la Interfaz: Grá cas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5. Simulaciones de plasmas electrostáticos en PEWAV 42 5.1. Parámetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 6. Resultados 45 6.1. Dos especies de electrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.1.1. Inestabilidad two-stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 6.1.2. Inestabilidad bump-on-tail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.1.3. Inestabilidad warm two-stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 6.1.4. Grá cas 2S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6.2. Tres especies de electrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.2.1. Inestabilidad two-stream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.2.2. Inestabilidad weak-beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.2.3. Inestabilidad bump-on-tail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 6.2.4. Grá cas 3S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 7. Conclusiones, Discusiones y Trabajo Futuro 69 7.1. Conclusiones y Discusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 7.2. Trabajo Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 8. Anexos 72 Bibliografía 73PregradoIngeniero(a) Físico(a)75 Pag.application/pdfspaUniversidad Tecnológica de PereiraIngeniería FísicaFacultad de IngenieríasPereira530 - FísicaInestabilidad en el plasmaProcedimientos electrostáticosAtmosfera superiorMagnetosferaProcesos electrostáticosOnda solitariaImplementación de una interfaz gráfica para la simulación de plasmas electrostáticos y su aplicación en el estudio de ondas solitarias observadas en al región aural y otras regiones de la magnetosferaTrabajo de grado - Pregradoinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisA. A. Abid, Q. Lu, M. N. 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La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 deopen.accesshttps://dspace7-utp.metabuscador.orgRepositorio de la Universidad Tecnológica de Pereirabdigital@metabiblioteca.comTEEgT0JSQSAoVEFMIFkgQ09NTyBTRSBERUZJTkUgTcOBUyBBREVMQU5URSkgU0UgT1RPUkdBIEJBSk8gTE9TIFRFUk1JTk9TIERFIEVTVEEgTElDRU5DSUEgUMOaQkxJQ0EgREUgQ1JFQVRJVkUgQ09NTU9OUyAo4oCcTFBDQ+KAnSBPIOKAnExJQ0VOQ0lB4oCdKS4gTEEgT0JSQSBFU1TDgSBQUk9URUdJREEgUE9SIERFUkVDSE9TIERFIEFVVE9SIFkvVSBPVFJBUyBMRVlFUyBBUExJQ0FCTEVTLiBRVUVEQSBQUk9ISUJJRE8gQ1VBTFFVSUVSIFVTTyBRVUUgU0UgSEFHQSBERSBMQSBPQlJBIFFVRSBOTyBDVUVOVEUgQ09OIExBIEFVVE9SSVpBQ0nDk04gUEVSVElORU5URSBERSBDT05GT1JNSURBRCBDT04gTE9TIFTDiVJNSU5PUyBERSBFU1RBIExJQ0VOQ0lBIFkgREUgTEEgTEVZIERFIERFUkVDSE8gREUgQVVUT1IuCgpNRURJQU5URSBFTCBFSkVSQ0lDSU8gREUgQ1VBTFFVSUVSQSBERSBMT1MgREVSRUNIT1MgUVVFIFNFIE9UT1JHQU4gRU4gRVNUQSBMSUNFTkNJQSwgVVNURUQgQUNFUFRBIFkgQUNVRVJEQSBRVUVEQVIgT0JMSUdBRE8gRU4gTE9TIFRFUk1JTk9TIFFVRSBTRSBTRcORQUxBTiBFTiBFTExBLiBFTCBMSUNFTkNJQU5URSBDT05DRURFIEEgVVNURUQgTE9TIERFUkVDSE9TIENPTlRFTklET1MgRU4gRVNUQSBMSUNFTkNJQSBDT05ESUNJT05BRE9TIEEgTEEgQUNFUFRBQ0nDk04gREUgU1VTIFRFUk1JTk9TIFkgQ09ORElDSU9ORVMuCjEuIERlZmluaWNpb25lcwoKYS4JT2JyYSBDb2xlY3RpdmEgZXMgdW5hIG9icmEsIHRhbCBjb21vIHVuYSBwdWJsaWNhY2nDs24gcGVyacOzZGljYSwgdW5hIGFudG9sb2fDrWEsIG8gdW5hIGVuY2ljbG9wZWRpYSwgZW4gbGEgcXVlIGxhIG9icmEgZW4gc3UgdG90YWxpZGFkLCBzaW4gbW9kaWZpY2FjacOzbiBhbGd1bmEsIGp1bnRvIGNvbiB1biBncnVwbyBkZSBvdHJhcyBjb250cmlidWNpb25lcyBxdWUgY29uc3RpdHV5ZW4gb2JyYXMgc2VwYXJhZGFzIGUgaW5kZXBlbmRpZW50ZXMgZW4gc8OtIG1pc21hcywgc2UgaW50ZWdyYW4gZW4gdW4gdG9kbyBjb2xlY3Rpdm8uIFVuYSBPYnJhIHF1ZSBjb25zdGl0dXllIHVuYSBvYnJhIGNvbGVjdGl2YSBubyBzZSBjb25zaWRlcmFyw6EgdW5hIE9icmEgRGVyaXZhZGEgKGNvbW8gc2UgZGVmaW5lIGFiYWpvKSBwYXJhIGxvcyBwcm9ww7NzaXRvcyBkZSBlc3RhIGxpY2VuY2lhLiBhcXVlbGxhIHByb2R1Y2lkYSBwb3IgdW4gZ3J1cG8gZGUgYXV0b3JlcywgZW4gcXVlIGxhIE9icmEgc2UgZW5jdWVudHJhIHNpbiBtb2RpZmljYWNpb25lcywganVudG8gY29uIHVuYSBjaWVydGEgY2FudGlkYWQgZGUgb3RyYXMgY29udHJpYnVjaW9uZXMsIHF1ZSBjb25zdGl0dXllbiBlbiBzw60gbWlzbW9zIHRyYWJham9zIHNlcGFyYWRvcyBlIGluZGVwZW5kaWVudGVzLCBxdWUgc29uIGludGVncmFkb3MgYWwgdG9kbyBjb2xlY3Rpdm8sIHRhbGVzIGNvbW8gcHVibGljYWNpb25lcyBwZXJpw7NkaWNhcywgYW50b2xvZ8OtYXMgbyBlbmNpY2xvcGVkaWFzLgoKYi4JT2JyYSBEZXJpdmFkYSBzaWduaWZpY2EgdW5hIG9icmEgYmFzYWRhIGVuIGxhIG9icmEgb2JqZXRvIGRlIGVzdGEgbGljZW5jaWEgbyBlbiDDqXN0YSB5IG90cmFzIG9icmFzIHByZWV4aXN0ZW50ZXMsIHRhbGVzIGNvbW8gdHJhZHVjY2lvbmVzLCBhcnJlZ2xvcyBtdXNpY2FsZXMsIGRyYW1hdGl6YWNpb25lcywg4oCcZmljY2lvbmFsaXphY2lvbmVz4oCdLCB2ZXJzaW9uZXMgcGFyYSBjaW5lLCDigJxncmFiYWNpb25lcyBkZSBzb25pZG/igJ0sIHJlcHJvZHVjY2lvbmVzIGRlIGFydGUsIHJlc8O6bWVuZXMsIGNvbmRlbnNhY2lvbmVzLCBvIGN1YWxxdWllciBvdHJhIGVuIGxhIHF1ZSBsYSBvYnJhIHB1ZWRhIHNlciB0cmFuc2Zvcm1hZGEsIGNhbWJpYWRhIG8gYWRhcHRhZGEsIGV4Y2VwdG8gYXF1ZWxsYXMgcXVlIGNvbnN0aXR1eWFuIHVuYSBvYnJhIGNvbGVjdGl2YSwgbGFzIHF1ZSBubyBzZXLDoW4gY29uc2lkZXJhZGFzIHVuYSBvYnJhIGRlcml2YWRhIHBhcmEgZWZlY3RvcyBkZSBlc3RhIGxpY2VuY2lhLiAoUGFyYSBldml0YXIgZHVkYXMsIGVuIGVsIGNhc28gZGUgcXVlIGxhIE9icmEgc2VhIHVuYSBjb21wb3NpY2nDs24gbXVzaWNhbCBvIHVuYSBncmFiYWNpw7NuIHNvbm9yYSwgcGFyYSBsb3MgZWZlY3RvcyBkZSBlc3RhIExpY2VuY2lhIGxhIHNpbmNyb25pemFjacOzbiB0ZW1wb3JhbCBkZSBsYSBPYnJhIGNvbiB1bmEgaW1hZ2VuIGVuIG1vdmltaWVudG8gc2UgY29uc2lkZXJhcsOhIHVuYSBPYnJhIERlcml2YWRhIHBhcmEgbG9zIGZpbmVzIGRlIGVzdGEgbGljZW5jaWEpLgoKYy4JTGljZW5jaWFudGUsIGVzIGVsIGluZGl2aWR1byBvIGxhIGVudGlkYWQgdGl0dWxhciBkZSBsb3MgZGVyZWNob3MgZGUgYXV0b3IgcXVlIG9mcmVjZSBsYSBPYnJhIGVuIGNvbmZvcm1pZGFkIGNvbiBsYXMgY29uZGljaW9uZXMgZGUgZXN0YSBMaWNlbmNpYS4KCmQuCUF1dG9yIG9yaWdpbmFsLCBlcyBlbCBpbmRpdmlkdW8gcXVlIGNyZcOzIGxhIE9icmEuCgplLglPYnJhLCBlcyBhcXVlbGxhIG9icmEgc3VzY2VwdGlibGUgZGUgcHJvdGVjY2nDs24gcG9yIGVsIHLDqWdpbWVuIGRlIERlcmVjaG8gZGUgQXV0b3IgeSBxdWUgZXMgb2ZyZWNpZGEgZW4gbG9zIHTDqXJtaW5vcyBkZSBlc3RhIGxpY2VuY2lhCgpmLglVc3RlZCwgZXMgZWwgaW5kaXZpZHVvIG8gbGEgZW50aWRhZCBxdWUgZWplcmNpdGEgbG9zIGRlcmVjaG9zIG90b3JnYWRvcyBhbCBhbXBhcm8gZGUgZXN0YSBMaWNlbmNpYSB5IHF1ZSBjb24gYW50ZXJpb3JpZGFkIG5vIGhhIHZpb2xhZG8gbGFzIGNvbmRpY2lvbmVzIGRlIGxhIG1pc21hIHJlc3BlY3RvIGEgbGEgT2JyYSwgbyBxdWUgaGF5YSBvYnRlbmlkbyBhdXRvcml6YWNpw7NuIGV4cHJlc2EgcG9yIHBhcnRlIGRlbCBMaWNlbmNpYW50ZSBwYXJhIGVqZXJjZXIgbG9zIGRlcmVjaG9zIGFsIGFtcGFybyBkZSBlc3RhIExpY2VuY2lhIHBlc2UgYSB1bmEgdmlvbGFjacOzbiBhbnRlcmlvci4KCjIuIERlcmVjaG9zIGRlIFVzb3MgSG9ucmFkb3MgeSBleGNlcGNpb25lcyBMZWdhbGVzLgpOYWRhIGVuIGVzdGEgTGljZW5jaWEgcG9kcsOhIHNlciBpbnRlcnByZXRhZG8gY29tbyB1bmEgZGlzbWludWNpw7NuLCBsaW1pdGFjacOzbiBvIHJlc3RyaWNjacOzbiBkZSBsb3MgZGVyZWNob3MgZGVyaXZhZG9zIGRlbCB1c28gaG9ucmFkbyB5IG90cmFzIGxpbWl0YWNpb25lcyBvIGV4Y2VwY2lvbmVzIGEgbG9zIGRlcmVjaG9zIGRlbCBhdXRvciBiYWpvIGVsIHLDqWdpbWVuIGxlZ2FsIHZpZ2VudGUgbyBkZXJpdmFkbyBkZSBjdWFscXVpZXIgb3RyYSBub3JtYSBxdWUgc2UgbGUgYXBsaXF1ZS4KCjMuIENvbmNlc2nDs24gZGUgbGEgTGljZW5jaWEuCkJham8gbG9zIHTDqXJtaW5vcyB5IGNvbmRpY2lvbmVzIGRlIGVzdGEgTGljZW5jaWEsIGVsIExpY2VuY2lhbnRlIG90b3JnYSBhIFVzdGVkIHVuYSBsaWNlbmNpYSBtdW5kaWFsLCBsaWJyZSBkZSByZWdhbMOtYXMsIG5vIGV4Y2x1c2l2YSB5IHBlcnBldHVhIChkdXJhbnRlIHRvZG8gZWwgcGVyw61vZG8gZGUgdmlnZW5jaWEgZGUgbG9zIGRlcmVjaG9zIGRlIGF1dG9yKSBwYXJhIGVqZXJjZXIgZXN0b3MgZGVyZWNob3Mgc29icmUgbGEgT2JyYSB0YWwgeSBjb21vIHNlIGluZGljYSBhIGNvbnRpbnVhY2nDs246CgphLglSZXByb2R1Y2lyIGxhIE9icmEsIGluY29ycG9yYXIgbGEgT2JyYSBlbiB1bmEgbyBtw6FzIE9icmFzIENvbGVjdGl2YXMsIHkgcmVwcm9kdWNpciBsYSBPYnJhIG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