Física de Plasmas Prof. Ricardo Luiz Viana viana@fisica.ufpr.br

Física de PlasmasFísica de Plasmas

Prof. Ricardo Luiz Viana

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viana@fisica.ufpr.br

EmentaEmenta

Ocorrência de plasmas na Natureza e em laboratório

Movimento de partículas carregadas em campos eletromagnéticas

Teorias de fluidos para plasmasMagneto-hidrodinâmicaOndas em plasmas

Referências bibliográficasReferências bibliográficas

Francis F. Chen: “Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion” (Plenum Press, New York, 1984)

José A. Bittencourt: “Fundamentals of Plasma Physics” (Segunda edição, FAPESP, São Paulo, 1995)

Dwight R. Nicholson: “Introduction to Plasma Theory” (Krieger Publ. Co, 1992)

ObjetivosObjetivos

Familiarizar o estudante com os conceitos básicos de Física de Plasmas

Apresentar as principais aplicações de Plasmas em Tecnologia, Fusão Controlada, Astrofísica e Geofísica

Mostrar aplicações físicas relevantes de conceitos aprendidos em Eletromagnetismo, Mecânica Clássica e Mecânica Estatística

O que é um plasma?O que é um plasma?

Plasma é basicamente um gás ionizado

Uma parte dos átomos do gás está dissociada em íons positivos e elétrons livres

Efeitos coletivos aparecem da interação entre elétrons e íons

Plasma: o quarto estado da Plasma: o quarto estado da matériamatéria

99 % da matéria do Universo 99 % da matéria do Universo é formada por plasma...é formada por plasma...

... mas vivemos no 1 % que ... mas vivemos no 1 % que não é majoritariamente não é majoritariamente

formado por plasmaformado por plasma

Plasmas também podem ser Plasmas também podem ser produzidos em laboratórioproduzidos em laboratório

Maçarico de plasma

Uma chama é um plasmaUma chama é um plasma

Descargas elétricas Descargas elétricas atmosféricas também são atmosféricas também são

plasmasplasmas

Olhe para cima! Você estará Olhe para cima! Você estará “vendo” um plasma!“vendo” um plasma!

Brinquedos usando plasmasBrinquedos usando plasmas

Que é comportamento Que é comportamento coletivo?coletivo?

Um plasma é um gás ionizado que apresenta um “comportamento coletivo”

As interações elétricas e magnéticas entre as partículas do plasma têm um longo alcance

Efeitos coletivos aparecem da movimentação das cargas dentro do plasma

Exemplos: blindagem eletrostática

Plasmas são caracterizados:Plasmas são caracterizados:

Pela densidade n do gás (em número de partículas por metro cúbico)

Pela temperatura T do gás (em Kelvin)

Tanto n como T podem abranger um grande intervalo

EtimologiaEtimologia

Plasma vem do grego , que significa “algo moldado” ou “fabricado”

Na verdade, um plasma não tende a ser moldado pelas influências externas

Um plasma comporta-se como se ele tivesse “vontade própria”, devido ao comportamento coletivo.

Aplicações de PlasmasAplicações de Plasmas

Aplicações Tecnológicas

Aplicações em Astrofísica e Geofísica

Aplicações na Fusão Termonuclear Controlada

Aplicações Militares

HistóricoHistórico

Irving Langmuir (década de 1920)

Tubos de vácuo preenchidos com gases ionizados

Aplicações na eletrônica de válvulas

Hannes Alfvén: plasmas astrofísicos

Aplicações TecnológicasAplicações Tecnológicas

Lâmpadas fluorescentes

Lâmpadas a vapor metálico (mercúrio, sódio)

Aplicações TecnológicasAplicações Tecnológicas

Tubos de descarga em gases (neônio)

“glow discharges” Maçarico (tocha) de

plasma

Aplicações TecnológicasAplicações Tecnológicas

Tela de televisão a plasma

Tratamento de materiais (nitretação)

Fusão Termonuclear Fusão Termonuclear ControladaControlada

Fusão nuclear: dois núcleos leves combinam-se para formar um núcleo pesado, liberando energia

E = m c2 (m = defeito de massa)

Deutério + Trítio = Hélio + Deutério + Trítio = Hélio + nêutron + energia “limpa”nêutron + energia “limpa”

A humanidade precisa de A humanidade precisa de novas fontes de energia limpanovas fontes de energia limpa

A reação de fusão precisa A reação de fusão precisa ocorrer dentro de um plasmaocorrer dentro de um plasma

O plasma precisa ser O plasma precisa ser confinadoconfinado

Confinamento magnético: Confinamento magnético: tokamaktokamak

TokamaksTokamaks

Confinamento inercial por Confinamento inercial por feixes de lasersfeixes de lasers

Pequeno HistóricoPequeno Histórico

1952: bomba de hidrogênio dos EUAPesquisas em confinamento magnético

secretas (Projeto Matterhorn)1958: conferência da IAEA Tokamak inventado por pesquisadores

russos na década de 50

Aplicações astrofísicasAplicações astrofísicas

Estrelas são plasmas onde ocorrem reações de fusão

Aplicações astrofísicasAplicações astrofísicas

Aurora boreal: plasma ionosférico

Aplicações astrofísicasAplicações astrofísicas

Vento solar e magnetosfera terrestre

A Física de Plasmas no BrasilA Física de Plasmas no Brasil

Primeiro grupo teórico (anos 70): UFRGS Primeiro grupo experimental (anos 70):

Inst. de Física da USP – Tokamak TBR1Inst. Nacional de Pesquisas Espaciais (S. J.

dos Campos): fusão, astrofísica e tecnologiaUNICAMP: teoria e experimentalUFF: teoria

A Física de Plasmas no BrasilA Física de Plasmas no Brasil

Dep. Física da UFPR (1991): Grupo de Dinâmica Não-Linear e Física de Plasmas

Outros grupos: UFMS (Campo Grande), UNESP (Guaratinguetá), ITA (S.J. Campos)

Encontro Brasileiro de Física de Plasmas (Soc. Bras. de Física): bianual