Plasma (física) -Plasma (physics)

Acima: Relâmpagos e luzes de neon são geradores comuns de plasma. Inferior esquerdo: Um globo de plasma , ilustrando alguns dos fenômenos mais complexos do plasma, incluindo a filamentosação . Inferior direito: Um rastro de plasma do ônibus espacial Atlantis durante a reentrada na atmosfera da Terra , visto da Estação Espacial Internacional .

O plasma (do grego antigo πλάσμα  'substância moldável') é um dos quatro estados fundamentais da matéria . Contém uma porção significativa de partículas carregadas – íons e/ou elétrons . A presença dessas partículas carregadas é o que diferencia principalmente o plasma dos outros estados fundamentais da matéria. É a forma mais abundante de matéria comum no universo , sendo principalmente associada a estrelas , incluindo o Sol . Estende-se ao meio intracluster rarefeito e possivelmente às regiões intergalácticas. O plasma pode ser gerado artificialmente aquecendo um gás neutro ou submetendo-o a um forte campo eletromagnético .

A presença de partículas carregadas torna o plasma eletricamente condutor , com a dinâmica das partículas individuais e o movimento macroscópico do plasma governado por campos eletromagnéticos coletivos e muito sensíveis a campos aplicados externamente. A resposta do plasma aos campos eletromagnéticos é usada em muitos dispositivos tecnológicos modernos, como televisores de plasma ou gravação de plasma .

Dependendo da temperatura e densidade, uma certa quantidade de partículas neutras também pode estar presente, caso em que o plasma é chamado de parcialmente ionizado . Sinais de néon e relâmpagos são exemplos de plasmas parcialmente ionizados. Ao contrário das transições de fase entre os outros três estados da matéria, a transição para o plasma não é bem definida e é uma questão de interpretação e contexto. Se um determinado grau de ionização é suficiente para chamar uma substância de 'plasma' depende do fenômeno específico que está sendo considerado.

História antiga

Reproduzir mídia

Microcampos de plasma calculados por uma simulação de N-corpos . Observe os elétrons em movimento rápido e os íons lentos. Assemelha-se a um fluido corporal .

O plasma foi identificado pela primeira vez em laboratório por Sir William Crookes . Crookes apresentou uma palestra sobre o que chamou de "matéria radiante" para a Associação Britânica para o Avanço da Ciência , em Sheffield, na sexta-feira, 22 de agosto de 1879. Os estudos sistemáticos do plasma começaram com a pesquisa de Irving Langmuir e seus colegas na década de 1920. Langmuir também introduziu o termo "plasma" como uma descrição do gás ionizado em 1928:

Exceto perto dos eletrodos, onde há bainhas contendo muito poucos elétrons, o gás ionizado contém íons e elétrons em números aproximadamente iguais, de modo que a carga espacial resultante é muito pequena. Usaremos o nome plasma para descrever essa região contendo cargas equilibradas de íons e elétrons.

Lewi Tonks e Harold Mott-Smith, que trabalharam com Langmuir na década de 1920, lembram que Langmuir usou pela primeira vez o termo por analogia com o plasma sanguíneo . Mott-Smith lembra, em particular, que o transporte de elétrons dos filamentos termiônicos lembrou a Langmuir "o modo como o plasma sanguíneo transporta glóbulos vermelhos e brancos e germes".

Parte de uma série sobre
Mecânica de continuidade
${\displaystyle J=-D{\frac {d\varphi }{dx}}}$ Leis de difusão de Fick
Leis Conservações Massa Impulso Energia Desigualdades Clausius-Duhem (entropia)
Mecânica sólida Deformação Elasticidade linear Plasticidade lei de Hooke Estresse Deformação finita Tensão infinitesimal Compatibilidade Dobrar Entre em contato com a mecânica de fricção Teoria de falha de material Mecânica da fratura
Mecânica dos fluidos Fluidos Estática  · Dinâmica Princípio de Arquimedes  · Princípio de Bernoulli Equações de Navier-Stokes Equação de Poiseuille  · Lei de Pascal Viscosidade ( Newtoniano  · não-Newtoniano ) Flutuabilidade  · Mistura  · Pressão Líquidos Adesão Ação capilar Cromatografia Coesão (química) Tensão superficial Gases Atmosfera lei de Boyle lei de Carlos Lei dos gases combinados Lei de Fick Lei de Gay-Lussac lei de Graham Plasma
Reologia Viscoelasticidade Reometria Reômetro Fluidos inteligentes Eletrorreológico Magnetoreológico Ferrofluidos
Cientistas Bernoulli Boyle Cauchy Carlos Euler Fick Gay-Lussac Graham Hooke Newton Navier Noll Pascal Stokes Truesdell
v t e

Definições

O quarto estado da matéria

O plasma é chamado de quarto estado da matéria depois do sólido , líquido e gasoso . É um estado da matéria em que uma substância ionizada se torna altamente condutora de eletricidade a ponto de campos elétricos e magnéticos de longo alcance dominarem seu comportamento.

O plasma é tipicamente um meio eletricamente quase neutro de partículas positivas e negativas não ligadas (ou seja, a carga total de um plasma é aproximadamente zero). Embora essas partículas sejam soltas, elas não são "livres" no sentido de não experimentarem forças. Partículas carregadas em movimento geram correntes elétricas, e qualquer movimento de uma partícula de plasma carregada afeta e é afetada pelos campos criados pelas outras cargas. Por sua vez, isso governa o comportamento coletivo com muitos graus de variação.

O plasma é distinto dos outros estados da matéria. Em particular, descrever um plasma de baixa densidade como meramente um "gás ionizado" é errado e enganoso, embora seja semelhante à fase gasosa, pois ambos não assumem forma ou volume definido. A tabela a seguir resume algumas diferenças principais:

Plasma ideal

Três fatores definem um plasma ideal:

• A aproximação de plasma : A aproximação de plasma aplica-se quando o parâmetro de plasma Λ, representando o número de portadores de carga dentro da esfera de Debye é muito maior que a unidade. Pode ser facilmente mostrado que este critério é equivalente à pequenez da razão entre as densidades de energia eletrostática e térmica do plasma. Tais plasmas são chamados de fracamente acoplados.
• Interações em massa : O comprimento de Debye é muito menor que o tamanho físico do plasma. Este critério significa que as interações na maior parte do plasma são mais importantes do que aquelas em suas bordas, onde podem ocorrer efeitos de contorno. Quando este critério é satisfeito, o plasma é quase neutro.
• Sem colisão : A frequência de plasma de elétrons (medindo oscilações de plasma dos elétrons) é muito maior do que a frequência de colisão neutro de elétrons. Quando esta condição é válida, as interações eletrostáticas dominam os processos da cinética gasosa comum. Tais plasmas são chamados sem colisões.

Plasma não neutro

A força e o alcance da força elétrica e a boa condutividade dos plasmas geralmente garantem que as densidades de cargas positivas e negativas em qualquer região considerável sejam iguais ("quasineutralidade"). Um plasma com um excesso significativo de densidade de carga, ou, no caso extremo, composto por uma única espécie, é chamado de plasma não neutro . Em tal plasma, os campos elétricos desempenham um papel dominante. Exemplos são feixes de partículas carregadas , uma nuvem de elétrons em uma armadilha de Penning e plasmas de pósitrons.

Plasma empoeirado

Um plasma empoeirado contém pequenas partículas carregadas de poeira (normalmente encontradas no espaço). As partículas de poeira adquirem altas cargas e interagem umas com as outras. Um plasma que contém partículas maiores é chamado de plasma de grãos. Em condições de laboratório, os plasmas empoeirados também são chamados de plasmas complexos .

Propriedades e parâmetros

Representação artística da fonte de plasma da Terra , mostrando íons de oxigênio, hélio e hidrogênio que jorram para o espaço de regiões próximas aos pólos da Terra. A fraca área amarela mostrada acima do pólo norte representa o gás perdido da Terra para o espaço; a área verde é a aurora boreal , onde a energia do plasma volta para a atmosfera.

Densidade e grau de ionização

Para que o plasma exista, a ionização é necessária. O termo "densidade plasmática" por si só geralmente se refere à densidade eletrônica , ou seja, o número de elétrons que contribuem com carga por unidade de volume. O grau de ionização é definido como fração de partículas neutras que são ionizadas: ${\estilo de exibição n_{e}}$${\ estilo de exibição \ alfa }$

$${\displaystyle \alpha ={\frac {n_{i}}{n_{i}+n_{n}}},}$$

onde é a densidade de íons e a densidade neutra (em número de partículas por unidade de volume). No caso de matéria totalmente ionizada, . Por causa da quase-neutralidade do plasma, as densidades eletrônica e iônica estão relacionadas por , onde é a carga iônica média (em unidades da carga elementar ). ${\estilo de exibição n_{i}}$${\estilo de exibição n_{n}}$${\estilo de exibição \alpha =1}$${\displaystyle n_{e}=\langle Z_{i}\rangle n_{i}}$${\displaystyle \langle Z_{i}\rangle }$

Temperatura

A temperatura do plasma, comumente medida em kelvin ou elétron -volts , é uma medida da energia cinética térmica por partícula. Altas temperaturas são geralmente necessárias para sustentar a ionização, que é uma característica definidora de um plasma. O grau de ionização do plasma é determinado pela temperatura do elétron em relação à energia de ionização (e mais fracamente pela densidade). Em equilíbrio térmico , a relação é dada pela equação de Saha . Em baixas temperaturas, íons e elétrons tendem a se recombinar em estados ligados – átomos – e o plasma acabará se tornando um gás.

Na maioria dos casos, os elétrons e as partículas pesadas de plasma (íons e átomos neutros) separadamente têm uma temperatura relativamente bem definida; ou seja, sua função de distribuição de energia é próxima de uma Maxwelliana mesmo na presença de fortes campos elétricos ou magnéticos . No entanto, devido à grande diferença de massa entre elétrons e íons, suas temperaturas podem ser diferentes, às vezes significativamente. Isso é especialmente comum em plasmas tecnológicos fracamente ionizados, onde os íons estão frequentemente próximos da temperatura ambiente , enquanto os elétrons atingem milhares de kelvin. O caso oposto é o plasma z-pinch, onde a temperatura do íon pode exceder a dos elétrons.

Potencial de plasma

Relâmpagos como um exemplo de plasma presente na superfície da Terra: Normalmente, os raios descarregam 30 quiloamperes em até 100 megavolts e emitem ondas de rádio, luz, raios X e até raios gama. As temperaturas do plasma podem se aproximar de 30.000 K e as densidades eletrônicas podem exceder 10 ²⁴ m ⁻³ .

Como os plasmas são muito bons condutores elétricos, os potenciais elétricos desempenham um papel importante. O potencial médio no espaço entre partículas carregadas, independentemente de como pode ser medido, é chamado de "potencial de plasma" ou "potencial de espaço". Se um eletrodo for inserido em um plasma, seu potencial geralmente ficará consideravelmente abaixo do potencial do plasma devido ao que é chamado de bainha de Debye . A boa condutividade elétrica dos plasmas torna seus campos elétricos muito pequenos. Isso resulta no importante conceito de "quaseneutralidade", que diz que a densidade de cargas negativas é aproximadamente igual à densidade de cargas positivas sobre grandes volumes de plasma ( ), mas na escala do comprimento de Debye , pode haver desequilíbrio de carga . No caso especial em que são formadas camadas duplas , a separação de carga pode estender-se por algumas dezenas de comprimentos de Debye. ${\displaystyle n_{e}=\langle Z\rangle n_{i}}$

A magnitude dos potenciais e campos elétricos deve ser determinada por outros meios além de simplesmente encontrar a densidade líquida de carga . Um exemplo comum é assumir que os elétrons satisfazem a relação de Boltzmann :

$${\displaystyle n_{e}\propto e^{e\Phi /k_{B}T_{e}}.}$$

Diferenciar essa relação fornece um meio de calcular o campo elétrico a partir da densidade:

$${\displaystyle {\vec {E}}=(k_{B}T_{e}/e)(\nabla n_{e}/n_{e}).}$$

É possível produzir um plasma que não seja quase neutro. Um feixe de elétrons, por exemplo, tem apenas cargas negativas. A densidade de um plasma não neutro geralmente deve ser muito baixa, ou deve ser muito pequena, caso contrário, será dissipada pela força eletrostática repulsiva .

Magnetização

A existência de partículas carregadas faz com que o plasma gere e seja afetado por campos magnéticos . Plasma com um campo magnético forte o suficiente para influenciar o movimento das partículas carregadas é dito magnetizado. Um critério quantitativo comum é que uma partícula em média completa pelo menos uma rotação em torno da linha do campo magnético antes de fazer uma colisão, ou seja, onde é a girofrequência do elétron e é a taxa de colisão do elétron. Muitas vezes, os elétrons são magnetizados enquanto os íons não são. Os plasmas magnetizados são anisotrópicos , o que significa que suas propriedades na direção paralela ao campo magnético são diferentes daquelas perpendiculares a ele. Enquanto os campos elétricos em plasmas são geralmente pequenos devido à alta condutividade do plasma, o campo elétrico associado a um plasma movendo-se com velocidade no campo magnético é dado pela fórmula usual de Lorentz e não é afetado pela blindagem Debye . ${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }/\nu _{\mathrm {coll} }>1}$${\displaystyle \nu _{\mathrm {ce} }}$${\displaystyle \nu _{\mathrm {coll} }}$${\ displaystyle \ mathbf {v} }$${\ displaystyle \ mathbf {B} }$ ${\displaystyle \mathbf {E} =-\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$

Descrições matemáticas

As complexas linhas de campo magnético autoconstritoras e caminhos de corrente em uma corrente de Birkeland alinhada ao campo que pode se desenvolver em um plasma.

Para descrever completamente o estado de um plasma, todas as localizações e velocidades das partículas que descrevem o campo eletromagnético na região do plasma precisariam ser anotadas. No entanto, geralmente não é prático ou necessário manter o controle de todas as partículas em um plasma. Portanto, os físicos de plasma geralmente usam descrições menos detalhadas, das quais existem dois tipos principais:

Modelo de fluido

Os modelos de fluido descrevem os plasmas em termos de quantidades suavizadas, como densidade e velocidade média em torno de cada posição (consulte Parâmetros de plasma ). Um modelo de fluido simples, magnetohidrodinâmica , trata o plasma como um único fluido governado por uma combinação das equações de Maxwell e as equações de Navier-Stokes . Uma descrição mais geral é o plasma de dois fluidos, onde os íons e os elétrons são descritos separadamente. Os modelos de fluidos geralmente são precisos quando a colisionalidade é suficientemente alta para manter a distribuição de velocidade do plasma próxima de uma distribuição de Maxwell-Boltzmann . Como os modelos de fluidos geralmente descrevem o plasma em termos de um único fluxo a uma certa temperatura em cada local espacial, eles não podem capturar estruturas espaciais de velocidade como feixes ou camadas duplas , nem resolver efeitos de partículas de onda.

Modelo cinético

Os modelos cinéticos descrevem a função de distribuição da velocidade das partículas em cada ponto do plasma e, portanto, não precisam assumir uma distribuição de Maxwell-Boltzmann . Uma descrição cinética é muitas vezes necessária para plasmas sem colisões. Existem duas abordagens comuns para a descrição cinética de um plasma. Um é baseado na representação da função de distribuição suavizada em uma grade em velocidade e posição. A outra, conhecida como técnica de partícula na célula (PIC), inclui informações cinéticas seguindo as trajetórias de um grande número de partículas individuais. Os modelos cinéticos são geralmente mais computacionalmente intensivos do que os modelos de fluidos. A equação de Vlasov pode ser usada para descrever a dinâmica de um sistema de partículas carregadas interagindo com um campo eletromagnético. Em plasmas magnetizados, uma abordagem girocinética pode reduzir substancialmente o gasto computacional de uma simulação totalmente cinética.

Ciência e tecnologia do plasma

Os plasmas são objeto de estudo do campo acadêmico da ciência do plasma ou física do plasma , incluindo subdisciplinas como a física do plasma espacial . Atualmente, envolve os seguintes campos de pesquisa ativa e apresenta vários periódicos , cujo interesse inclui:

Os plasmas podem aparecer na natureza em várias formas e locais, que podem ser amplamente resumidos na tabela a seguir:

Espaço e astrofísica

Os plasmas são de longe a fase mais comum da matéria comum no universo, tanto em massa quanto em volume.

Acima da superfície da Terra, a ionosfera é um plasma, e a magnetosfera contém plasma. Dentro do nosso Sistema Solar, o espaço interplanetário é preenchido com o plasma expelido pelo vento solar , estendendo-se desde a superfície do Sol até a heliopausa . Além disso, todas as estrelas distantes e grande parte do espaço interestelar ou espaço intergaláctico também são provavelmente preenchidos com plasma, embora em densidades muito baixas. Plasmas astrofísicos também são observados em discos de acreção em torno de estrelas ou objetos compactos como anãs brancas , estrelas de nêutrons ou buracos negros em sistemas estelares binários próximos . O plasma está associado à ejeção de material em jatos astrofísicos , que foram observados com buracos negros em acreção ou em galáxias ativas como o jato de M87, que possivelmente se estende por 5.000 anos-luz.

Plasmas artificiais

A maioria dos plasmas artificiais são gerados pela aplicação de campos elétricos e/ou magnéticos através de um gás. O plasma gerado em um ambiente de laboratório e para uso industrial pode ser geralmente categorizado por:

• O tipo de fonte de energia usada para gerar o plasma—DC, AC (normalmente com radiofrequência ( RF )) e micro-ondas
• A pressão em que operam—pressão de vácuo (< 10 mTorr ou 1 Pa), pressão moderada (≈1 Torr ou 100 Pa), pressão atmosférica (760 Torr ou 100 kPa)
• O grau de ionização dentro do plasma - totalmente, parcialmente ou fracamente ionizado
• As relações de temperatura dentro do plasma - plasma térmico ( ), plasma não térmico ou "frio" ( )${\displaystyle T_{e}=T_{i}=T_{gás}}$${\displaystyle T_{e}\gg T_{i}=T_{gás}}$
• A configuração do eletrodo usado para gerar o plasma
• A magnetização das partículas dentro do plasma – magnetizadas (tanto íons quanto elétrons são presos nas órbitas de Larmor pelo campo magnético), parcialmente magnetizados (os elétrons, mas não os íons são presos pelo campo magnético), não magnetizados (o campo magnético é muito fraco para prender as partículas em órbitas, mas pode gerar forças de Lorentz )

Geração de plasma artificial

Plasma artificial produzido no ar por uma escada de Jacob

Assim como os muitos usos do plasma, existem vários meios para sua geração. No entanto, um princípio é comum a todos eles: deve haver aporte de energia para produzi-lo e sustentá-lo. Para este caso, o plasma é gerado quando uma corrente elétrica é aplicada através de um gás ou fluido dielétrico (um material eletricamente não condutor ), como pode ser visto na imagem ao lado, que mostra um tubo de descarga como um exemplo simples ( DC usado para simplificar ).

A diferença de potencial e o campo elétrico subsequente puxam os elétrons ligados (negativos) em direção ao ânodo (eletrodo positivo), enquanto o cátodo (eletrodo negativo) puxa o núcleo. À medida que a tensão aumenta, a corrente estressa o material (por polarização elétrica ) além de seu limite dielétrico (denominado força) em um estágio de ruptura elétrica , marcado por uma faísca elétrica , onde o material se transforma de isolante em condutor (como torna-se cada vez mais ionizado ). O processo subjacente é a avalanche de Townsend , onde colisões entre elétrons e átomos de gás neutro criam mais íons e elétrons (como pode ser visto na figura à direita). O primeiro impacto de um elétron em um átomo resulta em um íon e dois elétrons. Portanto, o número de partículas carregadas aumenta rapidamente (na casa dos milhões) apenas "após cerca de 20 conjuntos sucessivos de colisões", principalmente devido a um pequeno caminho livre médio (distância média percorrida entre colisões).

Arco eletrico

Processo de ionização em cascata. Os elétrons são "e-", átomos neutros "o" e cátions "+".

Efeito avalanche entre dois eletrodos. O evento de ionização original libera um elétron, e cada colisão subsequente libera mais um elétron, então dois elétrons emergem de cada colisão: o elétron ionizante e o elétron liberado.

Com ampla densidade de corrente e ionização, isso forma um arco elétrico luminoso (uma descarga elétrica contínua semelhante a um relâmpago ) entre os eletrodos. A resistência elétrica ao longo do arco elétrico contínuo cria calor , que dissocia mais moléculas de gás e ioniza os átomos resultantes (onde o grau de ionização é determinado pela temperatura), e conforme a sequência: sólido - líquido - gás - plasma, o gás é gradualmente transformado em um plasma térmico. Um plasma térmico está em equilíbrio térmico , o que quer dizer que a temperatura é relativamente homogênea em todas as partículas pesadas (isto é, átomos, moléculas e íons) e elétrons. Isso ocorre porque quando plasmas térmicos são gerados, a energia elétrica é dada aos elétrons, que, devido à sua grande mobilidade e grande número, são capazes de dispersá-la rapidamente e por colisão elástica (sem perda de energia) às partículas pesadas.

Exemplos de plasma industrial/comercial

Por causa de suas faixas de temperatura e densidade consideráveis, os plasmas encontram aplicações em muitos campos de pesquisa, tecnologia e indústria. Por exemplo, em: metalurgia industrial e extrativa , tratamentos de superfície como pulverização de plasma (revestimento), gravura em microeletrônica, corte e soldagem de metais ; bem como na limpeza diária de escapamentos de veículos e lâmpadas fluorescentes / luminescentes , ignição de combustível, ao mesmo tempo em que desempenha um papel em motores de combustão supersônicos para engenharia aeroespacial .

Descargas de baixa pressão

• Plasmas de descarga incandescente: plasmas não térmicos gerados pela aplicação de campo elétrico DC ou RF de baixa frequência (<100 kHz) no espaço entre dois eletrodos metálicos. Provavelmente o plasma mais comum; este é o tipo de plasma gerado dentrotubos de luz fluorescente .
• Plasma acoplado capacitivamente (CCP) : semelhante aos plasmas de descarga incandescente, mas gerado com campos elétricos de RF de alta frequência, tipicamente 13,56 MHz . Estes diferem das descargas luminosas porque as bainhas são muito menos intensas. Estes são amplamente utilizados nas indústrias de microfabricação e fabricação de circuitos integrados para gravação a plasma e deposição de vapor químico aprimorado por plasma.
• Fonte de plasma de arco em cascata : um dispositivo para produzir plasmas de alta densidade (HDP) de baixa temperatura (≈1eV).
• Plasma acoplado indutivamente (ICP) : semelhante a um PCC e com aplicações semelhantes, mas o eletrodo consiste em uma bobina enrolada em torno da câmara onde o plasma é formado.
• Plasma aquecido por ondas : semelhante ao CCP e ICP, pois é tipicamente RF (ou micro-ondas). Exemplos incluem descarga helicoidal e ressonância cíclotron eletrônica (ECR).

Pressão atmosférica

• Descarga de arco : esta é uma descarga térmica de alta potência de temperatura muito alta (≈10.000 K). Pode ser gerado usando várias fontes de alimentação. É comumente usado em processos metalúrgicos . Por exemplo, é usado para fundir minerais contendo Al ₂ O ₃ para produzir alumínio .
• Descarga corona : esta é uma descarga não térmica gerada pela aplicação de alta tensão nas pontas dos eletrodos afiadas. É comumente usado em geradores de ozônio e precipitadores de partículas.
• Descarga de barreira dielétrica (DBD): trata-se de uma descarga não térmica gerada pela aplicação de altas voltagens em pequenos vãos onde um revestimento não condutor impede a transição da descarga de plasma para um arco. Muitas vezes, é rotulado erroneamente como descarga 'Corona' na indústria e tem aplicação semelhante a descargas corona. Um uso comum desta descarga é em um atuador de plasma para redução de arrasto do veículo. Também é amplamente utilizado no tratamento da teia de tecidos. A aplicação da descarga em tecidos sintéticos e plásticos funcionaliza a superfície e permite a adesão de tintas, colas e materiais similares. A descarga da barreira dielétrica foi usada em meados da década de 1990 para mostrar que o plasma de pressão atmosférica de baixa temperatura é eficaz na inativação de células bacterianas. Esse trabalho e experimentos posteriores com células de mamíferos levaram ao estabelecimento de um novo campo de pesquisa conhecido como medicina do plasma . A configuração de descarga de barreira dielétrica também foi usada no projeto de jatos de plasma de baixa temperatura. Esses jatos de plasma são produzidos por ondas de ionização guiadas de propagação rápida, conhecidas como balas de plasma.
• Descarga capacitiva : trata-se de um plasma não térmico gerado pela aplicação de potência de RF (por exemplo, 13,56 MHz ) a um eletrodo energizado, com um eletrodo aterrado mantido a uma pequena distância de separação da ordem de 1 cm. Tais descargas são comumente estabilizadas usando um gás nobre como hélio ou argônio.
• " Plasma piezoelétrico de descarga direta :" é um plasma não térmico gerado no lado alto de um transformador piezoelétrico (PT). Esta variante de geração é particularmente adequada para dispositivos compactos e de alta eficiência, onde uma fonte de alimentação separada de alta tensão não é desejada.

Conversores MHD

Um esforço mundial foi desencadeado na década de 1960 para estudar conversores magnetohidrodinâmicos , a fim de trazer a conversão de energia MHD para o mercado com usinas comerciais de um novo tipo, convertendo a energia cinética de um plasma de alta velocidade em eletricidade sem partes móveis com alta eficiência . Também foram realizadas pesquisas no campo da aerodinâmica supersônica e hipersônica para estudar a interação do plasma com campos magnéticos para, eventualmente, obter controle de fluxo passivo e até ativo em torno de veículos ou projéteis, a fim de suavizar e mitigar as ondas de choque , diminuir a transferência térmica e reduzir o arrasto .

Esses gases ionizados usados ​​na "tecnologia de plasma" (plasmas "tecnológicos" ou "projetados") são geralmente gases fracamente ionizados no sentido de que apenas uma pequena fração das moléculas de gás é ionizada. Esses tipos de gases fracamente ionizados também são plasmas "frios" não térmicos. Na presença de campos magnéticos, o estudo de tais gases magnetizados não térmicos fracamente ionizados envolve magnetohidrodinâmica resistiva com baixo número de Reynolds magnético , um campo desafiador da física de plasma onde os cálculos requerem tensores diádicos em um espaço de fase de 7 dimensões . Quando usado em combinação com um parâmetro Hall alto , um valor crítico desencadeia a instabilidade eletrotérmica problemática que limitou esses desenvolvimentos tecnológicos.

Fenômenos de plasma complexos

Embora as equações subjacentes que governam os plasmas sejam relativamente simples, o comportamento do plasma é extraordinariamente variado e sutil: o surgimento de comportamento inesperado de um modelo simples é uma característica típica de um sistema complexo . Tais sistemas situam-se, em certo sentido, na fronteira entre o comportamento ordenado e desordenado e normalmente não podem ser descritos por funções matemáticas simples, suaves ou por pura aleatoriedade. A formação espontânea de características espaciais interessantes em uma ampla gama de escalas de comprimento é uma manifestação da complexidade do plasma. As feições são interessantes, por exemplo, porque são muito nítidas, espacialmente intermitentes (a distância entre as feições é muito maior do que as feições em si), ou têm uma forma fractal . Muitas dessas características foram estudadas pela primeira vez em laboratório e, posteriormente, foram reconhecidas em todo o universo. Exemplos de complexidade e estruturas complexas em plasmas incluem:

Filamento

Estrias ou estruturas semelhantes a cordas, também conhecidas como correntes de Birkeland , são vistas em muitos plasmas, como a bola de plasma , a aurora , raios , arcos elétricos , erupções solares e remanescentes de supernovas . Eles às vezes estão associados a densidades de corrente maiores, e a interação com o campo magnético pode formar uma estrutura de corda magnética . (Veja também pitada de plasma )

Filamentação também se refere à auto-focagem de um pulso de laser de alta potência. Em altas potências, a parte não linear do índice de refração torna-se importante e causa um maior índice de refração no centro do feixe de laser, onde o laser é mais brilhante do que nas bordas, causando um feedback que focaliza ainda mais o laser. O laser mais focado tem um pico de brilho mais alto (irradiância) que forma um plasma. O plasma tem um índice de refração menor que um e causa uma desfocagem do feixe de laser. A interação do índice de refração de focagem e o plasma de desfocagem faz com que a formação de um longo filamento de plasma que pode ser de micrômetros a quilômetros de comprimento. Um aspecto interessante do plasma gerado por filamentos é a densidade de íons relativamente baixa devido aos efeitos de desfocagem dos elétrons ionizados. (Veja também propagação de filamentos )

Plasma impermeável

O plasma impermeável é um tipo de plasma térmico que atua como um sólido impermeável em relação ao gás ou plasma frio e pode ser empurrado fisicamente. A interação de gás frio e plasma térmico foi brevemente estudada por um grupo liderado por Hannes Alfvén nas décadas de 1960 e 1970 para suas possíveis aplicações no isolamento de plasma de fusão das paredes do reator. No entanto, mais tarde descobriu-se que os campos magnéticos externos nesta configuração podem induzir instabilidades de torção no plasma e, posteriormente, levar a uma perda inesperadamente alta de calor para as paredes. Em 2013, um grupo de cientistas de materiais relatou que eles geraram com sucesso plasma impermeável estável sem confinamento magnético usando apenas uma manta de gás frio de pressão ultra-alta. Embora os dados espectroscópicos sobre as características do plasma fossem difíceis de obter devido à alta pressão, o efeito passivo do plasma na síntese de diferentes nanoestruturas sugeria claramente o confinamento efetivo. Eles também mostraram que, ao manter a impermeabilidade por algumas dezenas de segundos, a triagem de íons na interface plasma-gás poderia dar origem a um forte modo secundário de aquecimento (conhecido como aquecimento viscoso), levando a diferentes cinéticas de reações e formação de complexos. nanomateriais .

Galeria

• 

  Propulsor de efeito Hall . O campo elétrico em uma camada dupla de plasma é tão eficaz na aceleração de íons que os campos elétricos são usados ​​em acionamentos de íons .

• Reproduzir mídia

  Plasma solar

• 

  Pulverização de plasma

• 

  Plasma Tokamak na pesquisa de fusão nuclear

• 

  Plasma de argônio no experimento Hawkeye linearmente magnetizado (HLMX) na Universidade de Iowa

Veja também

Notas

Referências

links externos

• Plasmas: o quarto estado da matéria
• Introdução à Física de Plasmas: Pós-graduação ministrada por Richard Fitzpatrick | Introdução ao MIT por IHHutchinson
• Interação de material de plasma
• Como fazer uma bola brilhante de plasma no microondas com uma uva | Mais (vídeo)
• OpenPIC3D – Simulação 3D Hybrid Particle-In-Cell de dinâmica de plasma
• Formulário de Plasma Interativo