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

Ementa Ocorrência de plasmas na Natureza e em laboratório Movimento de partículas carregadas em campos eletromagnéticas Teorias de fluidos para plasmas Magneto-hidrodinâmica Ondas em plasmas

Referências 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)

Objetivos 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? 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 matéria

99 % da matéria do Universo é formada por plasma...

... mas vivemos no 1 % que não é majoritariamente formado por plasma

Plasmas também podem ser produzidos em laboratório Maçarico de plasma

Uma chama é um plasma

Descargas elétricas atmosféricas também são plasmas

Olhe para cima! Você estará “vendo” um plasma!

Brinquedos usando plasmas

Que é comportamento 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: 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

Etimologia 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 Plasmas Aplicações Tecnológicas Aplicações em Astrofísica e Geofísica Aplicações na Fusão Termonuclear Controlada Aplicações Militares

Histórico Irving Langmuir (década de 1920) Tubos de vácuo preenchidos com gases ionizados Aplicações na eletrônica de válvulas Hannes Alfvén: plasmas astrofísicos

Aplicações Tecnológicas Lâmpadas fluorescentes Lâmpadas a vapor metálico (mercúrio, sódio)

Aplicações Tecnológicas Tubos de descarga em gases (neônio) “glow discharges” Maçarico (tocha) de plasma

Aplicações Tecnológicas Tela de televisão a plasma Tratamento de materiais (nitretação)

Fusão Termonuclear Controlada Fusão nuclear: dois núcleos leves combinam-se para formar um núcleo pesado, liberando energia E = m c2 (m = defeito de massa)

Deutério + Trítio = Hélio + nêutron + energia “limpa”

A humanidade precisa de novas fontes de energia limpa

A reação de fusão precisa ocorrer dentro de um plasma

O plasma precisa ser confinado

Confinamento magnético: tokamak

Tokamaks

Confinamento inercial por feixes de lasers

Pequeno Histórico 1952: bomba de hidrogênio dos EUA Pesquisas em confinamento magnético secretas (Projeto Matterhorn) 1958: conferência da IAEA Tokamak inventado por pesquisadores russos na década de 50

Aplicações astrofísicas Estrelas são plasmas onde ocorrem reações de fusão

Aplicações astrofísicas Aurora boreal: plasma ionosférico

Aplicações astrofísicas Vento solar e magnetosfera terrestre

A Física de Plasmas no Brasil Primeiro grupo teórico (anos 70): UFRGS Primeiro grupo experimental (anos 70): Inst. de Física da USP – Tokamak TBR1 Inst. Nacional de Pesquisas Espaciais (S. J. dos Campos): fusão, astrofísica e tecnologia UNICAMP: teoria e experimental UFF: teoria

A 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