Física e Tecnologia dos Plasmas Conceitos fundamentais

Transcrição

1 Física e Tecnologia dos Plasmas Conceitos fundamentais Mestrado em Engenharia Física Tecnológica Instituto Superior Técnico Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear Vasco Guerra

2 Desde sempre o homem procurou compreender a física dos plasmas...

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7 Plasmas: As questões As o perguntas início básicas fundamentais O que é um plasma? Como se forma um plasma? Por que é um plasma interessante? Para que serve um plasma?

8 O que é As é um um perguntas plasma? fundamentais Gás ionizado Quase neutro Apresenta um comportamento colectivo A energia potencial de uma partícula típica é muito menor do que a sua energia cinética

9 Para que serve um plasma? Plasmas na natureza 99% da matéria (visível) do universo! Estrelas Nebulosas Vento solar Ionosfera Cinturas de van Allen Relâmpagos Auroras

10 A origem da palavra plasma O termo foi introduzido em 1928 por Langmuir Langmuir, Oscillations in ionized gases, Proc. Nat. Acad. Sci. U.S. (1928) Do grego πλάσμα (moldar), pois o brilho da descarga dos tubos de Crookes molda-se à forma do tubo... we have observed some phenomena of remarkable beauty which may prove to be of theoretical interest. Langmuir, Science (1924) 60 p 392

11 Como se forma um plasma? Como se forma um plasma?

12 Quatro As estados perguntas da matéria... fundamentais e não quatro Quatro estados ou 4 elementos??? elementos!

13 Para que serve um plasma? Como produzir um plasma? Aumentar a temperatura Usar não equilíbrio para aumentar localmente ne -fotoionização -descargas eléctricas

14 Porque é um plasma interessante Electrões, leves, têm tendência a ter temperaturas elevadas, enquanto os iões, mais pesados, têm tendência a ter temperaturas baixas (não equilíbrio!) Reacções que normalmente só podem ocorrer a altas temperaturas podem ocorrer a baixas temperaturas! Plasma emite radiação, tanto no visível como no ultravioleta Plasmas servem para quase tudo!

15 Para que As perguntas serve um um fundamentais plasma? Para quase tudo!

16 Para que serve um plasma? Aplicações dos plasmas Fusão termonuclear Propulsão a plasma Lasers a gas Microelectrónica Despoluição Biologia e medicina Processamento de materiais

17 Nuclear fusion Critério de Lawson: nτ>10 20 m -3 s

18 Magnetic confinement fusion

19 Inertial fusion

20 Fundamentos Blindagem de Debye Frequência de plasma Parâmetro de plasma Grau de ionização

21 Blindagem de Debye Ião positivo de teste, de massa infinita Atrai os electrões e repele os outros iões positivos Densidade electrónica na vizinhança aumenta Forma-se uma nuvem - blindagem - que tende a cancelar a carga

22 Blindagem de Debye Potencial electrostático (r) = 1 Q T 4 0 r Potencial de Debye (r) = Q T r exp rd

23 Blindagem de Debye D = 0kT n 0 e 2 1/2 Quase-neutralidade não se verifica dentro da esfera de Debye

24 Blindagem de Debye O fenómeno é conhecido por blindagem de Debye é o primeiro exemplo do comportamento colectivo de um plasma A hipótese da energia potencial de uma partícula típica ser muito menor do que a sua energia cinética é usada na linearização da equação de Poisson

25 Blindagem de Debye O potencial de Debye devido a uma carga num plasma decai muito mais rapidamente que no vácuo Para r λd a blindagem cancela qt e φ(r) 0 qt não tem que ser uma partícula especial: cada partícula carregada do plasma tende a estabelecer a sua própria nuvem de blindagem Condição de plasma: λd L (dimensão típica do sistema) quase-neutro

26 Blindagem de Debye Alguns valores típicos

27 Parâmetro de plasma Distância entre partículas vizinhas ~ n 1/3 0 E. pot. devida ao vizinho mais próximo ~ 1 e r n1/3 0 e 2 Energia cinética típica ~ 1 2 m v2 = 3 2 kt e Condição de plasma: = n 0 3 D 1 Plasma: nº de electrões num cubo de Debye >>1

28 Grau de ionização Um plasma pode coexistir com outro estado: Na ionosfera há regiões onde 99% do gás é neutro e só 1% está ionizado Falamos então de um plasma parcialmente ionizado O parâmetro de plasma Λ calcula-se apenas com a componente ionizada (e temos Λ>>1 e λd L) Tipicamente há uma troca contínua de cargas entre as partículas do gás não ionizado e do plasma ionizado O meio é caracterizado pelo grau de ionização, ne/(ne+n0)

29 Frequência de plasma E Movimento oscilatório de frequência angular ωpe=

30 Frequência de plasma É mais um exemplo de um comportamento colectivo Podemos definir uma frequência de plasma iónica e uma frequência de plasma total, ωp 2= ωpi 2 +ωpe 2 Para termos um plasma, o comportamento colectivo deve ser dominante sobre as colisões individuais Condição de plasma: ωpe νc (frequência de colisão electrão-neutro), ou ωpeτ 1

31 Como estudar os plasmas? Movimento das partículas individuais Equações cinéticas Equações de fluidos

32 O maravilhoso mundo dos plasmas!

33 Voyager I

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