aula pr1 plasmas
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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
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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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