Aula 1

Nesta aula, iniciaremos nosso estudo sobre a física básica dos plasmas, onde iremos definir o que é plasma, mostraremos alguns exemplos e discutiremos, brevemente a evolução das pesquisas na área.

1. Introdução

Estas notas foram escritas para a disciplina: Introdução à Física de Plasma, oferecida pelo Instituto de Física da Universidade de Brasília, visando oferecer um curso intensivo de um semestre, sobre os aspectos fundamentais do Plasma e também, alguns tópicos mais avançados.

O Plasma é um dos mais novos e emocionantes

campos da física. A atual pesquisa neste campo examina problemas relacionados com telecomunicações, indústria, astrofísica, propulsão e a solução definitiva das demandas mundiais de energia, através da fusão termonuclear controlada.

1.1 Definição de Plasma

A palavra Plasma oriunda do grego, que designa um material moldável

πλασµα = Plasma Através dos tempos, a palavra tinha sido usada desta maneira, para designar materiais moldáveis ou que fluem , como um exemplo: o plasma sangüíneo. Atualmente o Plasma é mais conhecido como o 4o estado da matéria, isto é um gás que contém uma mistura variada de átomos neutros, ionizados e elétrons livres em constante interação Coulombiana. O Plasma constitui cerca de 99% da matéria do Universo visível conhecido, sendo 1% referente aos outros estados de agregação da matéria (sólido, líquido e gasoso). Abaixo, seguem alguns exemplos de plasmas

Galáxias e Nebulosas que contém gás e poeira cósmica interestrelar em estado “eletrificado” ou ionizado

Galáxia em Espiral. Nebulosa Olho de Gato. Vento solar ou fluido ionizado, constantemente ejetado pelo nosso Sol

Vento solar ejetado pelo Sol.

Plasmas gerados e confinados pelos Cinturões de Radiação de Van Allen, nas imediações do planeta Terra

Cinturões de Radiação de Van Allen.

Ionosfera Terrestre que possibilita as comunicações por rádio

Ionosfera Terrestre: Comunicações por Rádio.

Auroras Austral e Boreal, plasmas naturais, que ocorrem nas altas latitudes do planeta Terra

Aurora Austral. Aurora Boreal. Fogo

Chamas num incêndio.

Lâmpadas fluorescentes (plasmas gerados em

laboratório)

Lâmpadas Fluorescentes para Iluminação.

1.2 Histórico das Pesquisas em Plasmas

1830 - M.Faraday realiza estudos sobre descargas elétricas na atmosfera para estudo de reações químicas induzidas por correntes elétrica. Observou estruturas gasosas luminosas que indicavam um novo estado da matéria;

Físico Inglês M. Faraday. Descargas atmosféricas.

1895 - Descoberta do elétron por J. J. Thonson; 1900 - Aperfeiçoamento das técnicas de Vácuo, permite estudos de descargas elétricas em ambiente controlado; 1903 - Estudos em tubos de descarga com gases sob baixa pressão (retomada do antigo trabalho de Faraday) por I. Langmuir e Crookes. Também nesse período, surgiram os primeiros modelos teóricos para ionização, recombinação, difusão, colisões elétron-íon, formação de íons negativos;

Tubo de descarga de Crookes.

1920 - P. Jawsend e J. J. Thonson investigam ionizações a partir de colisões múltiplas; 1926 - I. Langmuir e H. Mott-Smith utilizam pela primeira vez o termo Plasma para designar gases ionizados;

Físico norte-americano I. Langmuir

1929 - I. Langmuir e L. Janks utilizam pela primeira vez sondas eletrostáticas para diagnosticar Plasmas em descargas sob baixa pressão. Tais experimentos foram precursores dos tubos de descarga com Hg para iluminação. Também neste período, tivemos 2 importantes

descobertas: as oscilações naturais do Plasma ( ) e a pf blindagem de cargas ( ) no Plasma; Dλ

1930 a 1950 - Fundamentos teóricos da física de Plasmas, através do estudo de Plasmas astrofísicos, pelos cienstistas:H. Alfven, E. Appleton, S. Chandrasekhar, S. Chapman, T. Cawling, M. Saha e L. Spitzer; 1946 - L. Landau modela a interação de ondas com Plasmas e o amortecimento não colisional; 1950 - Projeto Manhattan para obtenção da Fusão Termonuclear; 1956 - Anuncio prematuro pelos ingleses, da obtenção da fusão controlada num experimento com confinamento magnético, denominado Stellarator;

Estrutura de Bobinas do Stellarator.

1958 - Van Allen descobre os cinturões de radiação no Plasma confinado na magnetosfera terrestre;

1961 - Surgimento do primeiro conceito bem sucedido de confinamento magnético de plasmas em TOKAMAK;

TOKAMAK Esférico do INPE, Brasil.

1970 a 1980 - Primeiras tecnologias da pesquisa em Plasmas:

• Lâmpadas especiais • Arco de Plasma para solda e corte • Chaves de alta tensão • Implantação de Íons • Propulsão espacial • Laser a Plasma

• Reações químicas com Plasmas reativos

1980 a 1990 - Comprovação da viabilidade científica da Fusão Termonuclear Controlada no JET da CCE e no TFTR nos E.U.A;

TOKAMAK norte-americano TFTR.

1992 - Primeira observação direta da Fusão Termonuclear Controlada no JET da CCE;

Esquema do TOKAMAK Europeu JET.

1992 a 1994 - Lâmpadas a base de hidrogênio por RF, são comercializadas; 1996 a 1998 - Reator de Fusão gera 60% da energia utilizada para gerar a reação no JET da CCE; 1994 a 1998 - Terminais de vídeo plano a Plasma desenvolvido em Osaka no Japão; 1996 a 1999 - Utilização de filtros a Plasma, elimina 90% de gases poluentes de veículos automotores;

Filtro por Descarga Corona, UnB.

1998 a 2000 - Utilização bem sucedida de propulsores iônicos para propulsão primária com Xenônio na aeronave Deep Space 1;

Propulsor iônico do Deep Space 1.

Atualidade - Os resultados com sondas espaciais nos últimos anos (durante a década de 90) incentivaram o surgimento da nova área de investigação em Plasma: Dusty Plasmas, isto é, o estudo de Plasmas com várias espécies de íons em cometas e nuvens proto-planetárias.

Nebulosa de Cygnus.