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Física de PlasmasFísica de Plasmas
Prof. Ricardo Luiz Viana
http://fisica.ufpr.br/viana
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