1Fsica de PlasmasIntroduo

Carlos Alexandre WuenscheProcessos Radiativos I

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Introduo Onde Podemos Encontrar Plasmas ?

No Planeta Terra: Ionosfera e Laboratrios de Pesquisa em Fuso Nuclear; Nas Vizinhanas do Planeta Terra: Magnetosfera Terrestre; Em Outros Planetas do Sistema Solar;

No Espao Interplanetrio e no Meio Inter-estelar; No Sol e em outras Estrelas.

Esquema da Interao do Plasma Ejetado pelo Sol com o Campo Magntico da Terra

Plasma Superaquecido da Corona Solar

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Plasma Solar ou Vento Solar Sendo Expelido pelo Sol

Lua de Jpiter, chamada IO, expele material vulcnico em direo ao espao. Esse material contribui para o Plasma das vizinhanas do Planeta Jpiter.

Auroras Tambm Existem no Planeta Jpiter. As auroras so aspectos da interao entre o vento solar e as magnetosferas planetrias.

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Auroras Tambm Existem no Planeta Saturno.

Exploso de uma Estrela Captada pelo Telescpio Espacial Hubble. Vejam os plasmas superaquecidos e incandescentes.

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Tokamak Esfrico do INPE para a gerao de Plasma.

Propulsor Inico para ser usado em satlites, e sondas espaciais. Ejeo de um feixe de ons.

Dispositivo de propulso baseado em Plasma chamado Sistema Mini-Magnetosfrico de Propulso de Plasma.

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Critrios para a Definio de um Plasma

Plasma um gs ionizado (por foto-ionizao ou por descarga eltrica (colises), por exemplo) que possui eltrons, ons positivos, prtons e partculas eletricamente neutras.

Plasma O Quarto Estado da Matria

Neutralidade Macroscpica de Cargas Eltricas;

Blindagem de Debye;

Parmetro de Plasma;

Freqncia de Plasma.

L >>D

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D =0BT

nee2

(r) =

Q

re(r/D)

Esfera de Debye. Carga positiva vermelha que foi acrescentada ao plasma rodeada por eltrons e ons do plasma. Esse efeito coletivo chamado d e B l i n d a gem de Debye . A neutralidade no mantida, porque o nmero de eltrons maior.

Neutralidade do plasma em escala maior do que o raio da Esfera de Debye mantida. O plasma destas regies no sente a influncia da carga positiva vermelha que foi adicionada ao plasma.

Comprimento de Debye Potencial de Debye

Blindagem de Debye

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Processos de Produo de Plasmas

Foto-ionizao;

Recombinao Descargas eltricas;

Processo de Ionizao Interrompido

Grau de Ionizao Diminui

Tipos de Plasmas-Grau Ionizao

Fracamente ionizados; Predomina Interao Carga Eltrica-Partcula Neutra

Fortemente ionizados; Predomina Interaes Coulombianas Mltiplas

Totalmente ionizados; Todas as Partculas Esto Sujeitas a Mltiplas Interaes Coulombianas

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Propriedades Exibidas pelos Plasmas

Efeitos Coletivos

Interaes Partcula-Partcula e Partcula-Onda;

Oscilaes de Plasma e Ondas de Diversos Tipos

Uma partcula interage simultaneamente com diversas outras partculas por meio da fora eltrica coulombiana de longo alcance

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Difuso Ambipolar No Havendo Campos Eltrico e Magntico Aplicados ao Plasma, os Eltrons e ons que Estiverem em Grande Nmero Numa Regio do Plasma Tendero a Difundirem-se. Eltrons Difundem-se Mais Rapidamente que os ons. Essa Separao de Cargas Gera um Campo Eltrico de Polarizao Que Aumenta a Taxa de Difuso dos ons E Diminui a dos Eltrons At que Ocorra um Equilbrio.

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Oscilaes de Plasma ou Oscilaes de LangmuirSo Ondas Longitudinais de Natureza eletrosttica e independentesdoTempo e Estacionrias. As Oscilaes Ocorrem na Freqncia de Plasma do Eltron

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Movimento de Partculas Carregadas em Campos EM Estticos Uniformes

Soluo

1-Campo Eletrosttico Uniforme

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2-Campo Magnetosttico Uniforme

Movimento de Partculas Carregadas em Campos EM Estticos Uniformes

Soluo

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3-Campos Eletrosttico e Magnetosttico Uniformes

Soluo Adiante

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Deriva Eletromagntica. Velocidade constante do Referencial K

Referencial K observa:

Soluo

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rbita Helicoidal e Deriva Eletromagntica

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Movimento de Partculas Carregadas em Campos Magnticos Estticos e No-Uniformes

O estudo do campo magntico no-uniforme no espao extremamente difcil! Objetivo: investigar o movimento de uma partcula carregada em um campo magntico Ligeiramente no-homogneo no espao

Ligeiramente = Variao Espacial do Campo Magntico dentro da rbita da Partcula Pequeno Comparado com a Magnitude de B.

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Movimento de Partculas Carregadas em Campos Magnticos Estticos e No-Uniformes

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Teoria da rbita de 1 Ordem ou Aproximao de Alfvn

Consiste em considerar B

Invariantes Adibaticos

1-Invariante Adiabtico: Momento Magntico Orbital Constante;

2-Invariante Adiabtico: Invariante Longitudinal

3-Invariante Adiabtico: Fluxo Magntico Total Englobado Pela

Superfcie de Deriva

Velocidades de Deriva de Gradiente e Curvatura

DerivaGradiente

DerivaCurvatura

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Garrafa e Espelhos Magnticos

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Movimento de Partculas Carregadas em Campos Eletromagnticos Variveis No Tempo

Deriva de Polarizao: o campo eltrico dependente do tempoProduz uma corrente de polarizao lquida de maneira queO plasma comporta-se como um dieltrico.

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f(r,v, t)t

+ v rf(r,v, t) + a rf(r,v, t) = 0

f(r,v, t)t

+ v rf(r,v, t) + a rf(r,v, t) =f(r,v, t)

t

f(r,v, t)t

= f f,0

f = f,0 + (f(v, 0) f,0)e 1

Elementos da Teoria Cintica do Plasma

Equao de Boltzmann No-Colisional

Equao de Boltzmann Colisional

Modelo da Relaxao para o Termo Colisional

Plasma Homogneo e No h Fora

Externa

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Valores Mdios e Variveis Macroscpicas

Densidade Numrica e Velocidade

Equaes de Transporte Macroscpicas

As equaes diferenciais que governam as variaes temporais E espaciais das variveis macroscpicas so derivadas direta-Mente da Equao de Boltzmann sem resolve-la. Essa equaesDiferenciais so conhecidas como Equaes de TransporteMacroscpicas cujas solues so as variveis macroscpicas

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Equao de Transporte Geral

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O Estado de Equilbrio Funo de Distribuio de Equilbrio a Soluo Independente do Tempo da Equao de Boltzmann na Ausncia de Foras Externas. conhecida como Funo de Distribuio de Velocidades de Maxwell-Boltzmann.

(Para i =x, y e z)

Teorema da Equipartio de Energia

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= mv, v = c + u

= m

(mu) +mt

= S

D

Dt

3p2

+

3p2 u + ( ) u + q = M u A + 12u

2S

=mv2

2

m

t+ u

u = m

DuDt

mDuDt

= nq( E + u B) + mg + A uS

Equao da Continuidade

Equao da Energia

Equao do Momento Linear- Equao do Movimento

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Ondas de Alfvn: Perturbao no plasma condutor e imerso num campo magntico faz com que as linhas de campo magntico oscileper pendicular-mente, como se fossem cordas elsticas. As ondas de Alfvn propagam-se ao longo do campo magntico, e o fluxo de plasma perpendicular s linhas de induo magntica.

Ondas Magneto-Hidrodinmicas

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Ondas Sonoras: So ondas Sonoras em um plasma condutor e imerso num campo magntico.So ondas longitudinais que geram regies de compresso e rarefao no plasma.

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Ondas Magneto-Snicas: So ondas longitudinais que se propagam perpendicularmente s linhas de campo magntico, provocando compresses e rarefaes tanto do plasma quanto das linhas de campo magntico. As ondas rpida e lenta so compressivas e geram choques.

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