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
4 estado da matéria, isto é
o
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
comunicações por rádio
possibilita
as
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
( f p ) e a blindagem de cargas ( λD ) no Plasma;
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
reativos
químicas
com
Plasmas
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.