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Plasma

Um plasma é um gás ionizado quente consistindo de números aproximadamente iguais de íons carregados positivamente e elétrons carregados negativamente.

As características de plasmas são significativamente diferentes dos de gases neutros comuns de modo a que os plasmas são considerados um distinto "quarto estado da matéria."

Por exemplo, porque os plasmas são compostas de partículas carregadas eletricamente, elas são fortemente influenciados por campos eléctricos e magnéticos enquanto os gases não são neutros. Um exemplo de tal é a influência aprisionamento de partículas energéticas carregadas ao longo das linhas do campo geomagnético para formar as correias de radiação de Van Allen.

Além de campos impostos externamente, como o campo magnético da Terra, ou o campo magnético interplanetário, o plasma é influenciado por campos elétricos e magnéticos criados dentro do próprio plasma através de concentrações de carga localizadas e correntes elétricas que resultam do movimento diferencial dos íons e elétrons. As forças exercidas por estes campos sobre as partículas carregadas que compõem o ato de plasma através de longas distâncias e transmitir ao comportamento das partículas, uma qualidade coletiva coerente que gases neutros não são exibidos. (Apesar da existência de concentrações de carga localizadas e potenciais elétricos, um plasma é eletricamente "quase-neutra", porque, no total, há um número aproximadamente igual de partículas carregadas positivamente e negativamente distribuído de modo que as suas taxas de cancelar.)

O universo plasma

Estima-se que 99% da matéria do universo observável está no estado de plasma ... daí a expressão "universo plasma." (A expressão "universo observável" é um qualificador importante: cerca de 90% da massa do universo é pensado para ser contido em "matéria escura", a composição eo estado dos quais são desconhecidos.) Estrelas, jatos estelares e extragaláctico e o meio interestelar são exemplos de plasmas astrofísicos (ver figura ). No nosso sistema solar, o Sol, o meio interplanetário, os magnetosferas e / ou ionosferas da Terra e de outros planetas, bem como os ionosferas de cometas e certas luas planetárias todos consistem em plasmas.

Os plasmas de interesse para os físicos espaciais são extremamente tênue, com densidades drasticamente inferiores aos alcançados em vácuos de laboratório. A densidade da melhor vácuo do laboratório é de cerca de 10 mil milhões de partículas por centímetro cúbico. Em comparação, a densidade da região densa de plasma magnetosférica, o plasmasfera interior, é de apenas 1000 partículas por centímetro cúbico, enquanto que a folha de plasma é inferior a 1 de partículas por centímetro cúbico.

As temperaturas de plasmas espaciais são muito elevados, que vão desde vários milhares de graus Celsius na plasmasfera a vários milhões de graus na corrente do anel. Enquanto as temperaturas dos "plasmas frios" da ionosfera e plasmasfera são tipicamente fornecidas em graus Kelvin, os dos plasmas magnetosféricas "quentes" são mais vulgarmente expresso em termos de energias médias cinéticas das suas partículas constitutivos medidos em "electrões-volt. " Um electrão-volt (eV) é a energia que adquire um electrão, uma vez que é acelerada por meio de uma diferença de potencial de um volt e é equivalente a 11600 graus Kelvin.

Plasmas da magnetosfera são frequentemente caracterizados como sendo "frio" ou "quente". Embora estas etiquetas são bastante subjetiva, que são amplamente utilizados na literatura física espaço.

Como regra geral, os plasmas com temperaturas inferiores a cerca de 100 eV é "fria", enquanto que aqueles com temperaturas que variam de 100 eV a 30 keV, pode ser considerada "quente". (Partículas com energias mais altas - como as que povoam o cinturão de radiação - são chamados de "enérgico").

Fonte: pluto.space.swri.edu

Plasma

O que é plasma?

Plasma é o quarto estado da matéria.

Muitos lugares ensinam que existem três estados da matéria, sólido, líquido e gás, mas há realmente quatro.

O quarto é plasma.

Para colocá-lo simplesmente, um plasma é um gás ionizado, um gás no qual é fornecida energia suficiente para libertar os elétrons de átomos ou moléculas e permitir que ambas as espécies, os íons e elétrons, a coexistir. O engraçado nisso é que, tanto quanto sabemos, plasmas são o estado mais comum da matéria no universo. Eles são mesmo comuns aqui na Terra.

Um plasma é um gás que foi energizada a ponto de que alguns dos elétrons libertar, mas a viagem com, o seu núcleo . Gases de plasma pode tornar-se de várias maneiras, mas todas incluem bombear o gás com energia. Uma faísca num gás irá criar um plasma. O gás quente passa através de uma grande faísca irá transformar o fluxo de gás para dentro de um plasma, que pode ser de grande ajuda. Os maçaricos de plasma que, como são utilizados na indústria para corte de metais. A maior fatia do plasma que você vai ver é que o querido amigo de todos nós, o sol. Rasga calor enormes elétrons do sol fora do hidrogênio e hélio moléculas que compõem o dom Essencialmente, o sol, como a maioria das estrelas, é uma grande bola de plasma.

Fonte: education.jlab.org

Plasma

O que é PLASMA?

Chamamos de plasma o quarto e mais abundante estado da matéria.

Costuma-se pensar, normalmente, em três estados da matéria, sendo eles: o sólido, líqüido e gasoso.

Considerando a substância mais conhecida, a água, existem três estados físicos comuns: sólido (gelo), líqüido (água) e gas-oso (vapor d'água).

A diferença básica entre estes três estados é o nível de energia em que eles se encontram.

Se adicionarmos energia sob forma de calor ao gelo, este trans-formar-se-á em água, que sendo submetida à mais calor, vaporizará. Porém, se adicionarmos mais energia ao vapor, algumas de suas propriedades são modificadas substan-cialmente, tais como a temperatura e características elétricas. Este processo é chamado de ionização, ou seja a criação de elétrons livres e íons entre os átomos do gás.

Quando isto acontece, o gás transforma-se em plasma.

Plasma
Plasma de argônio no interior da máquina de plasma quiescente do LAP. A luminescência resulta da excitação de átomos pelos elétrons do plasma. Ímãs permanentes são colocados em volta da parede interna da câmara de vácuo, produzindo um campo magnético de confinamento por cúspides multipolares. Pode-se ver claramente que os elétrons de alta energia seguem as linhas de campo magnético. O objeto fino e escuro no meio do plasma é uma sonda eletrostática

Sendo eletricamente condutor, pelo fato de os elétrons livres transmitirem a corrente elétrica. Alguns dos princípios apli-cados à condução da corrente através de um condutor metálico também são aplicados ao plasma. Por exemplo, quando a seção de um condutor metálico submetido a uma corrente elétrica é reduzida, a resistência aumenta e torna-se necessário aumentar-se a tensão para se obter o mesmo número de elétrons atravessando esta seção, e conse-qüentemente a temperatura do metal aumenta.

O mesmo fato pode ser observado no gás plasma; quanto mais reduzida for a seção tanto maior será a temperatura. A vizinhança das estrelas e o espaço inter-planetário encontram-se no estado de plasma.

É, por isso, corrente afirmar que 99% do Universo encontra-se neste quarto estado da matéria.

Mesmo na Terra, pode-se observar o plasma na natureza: as auroras boreais (e austrais) são grandes descargas luminescentes de partículas carregadas provenientes do sol e aprisionadas no campo magnético terrestre e que penetram na atmosfera e colidem com moléculas gasosas nas proximidades dos pólos.

Fonte: www.mundofisico.joinville.udesc.br

Plasma

PLASMA: O 4º ESTADO DA MATÉRIA

Diferentemente dos demais estados da matéria, sólido, líquido e gasoso, a matéria no estado de plasma, nada mais é que um gás ionizado constituído de elétrons livres, íons e átomos neutros, em proporções variadas e que apresenta um comportamento coletivo (ver figura 1).

Plasma
Figura 1 - Matéria no estado gasoso e no estado de plasma.
Note que antes havia uma gás de átomos neutros e em seguida um gás de íons e elétrons livres

Justamente, devido à energia cinética das partículas que constituem o plasma, este é hoje identificável como sendo o 4o estado da matéria, representando 99,99% da matéria visível do Universo.

Três principais fenômenos caracterizam a matéria no estado de plasma (ver figura 2): emissão de radiação eletromagnética, blindagem do campo elétrico das cargas e oscilações coletivas devido as forças colombianas.

Plasma
Figura 2 - A esquerda, nosso sol emitindo radiação eletromagnética na faixa do ultravioleta distante-, no meio o efeito de blindagem de potenciais elétricos em plasmas

Plasma

Plasma
A resultante da força elétrica devido às várias n partículas carregadas numa dada carga A.

Exemplos de plasma

Apesar de, numa primeira vista, a existência de plasma ser muito rara em nosso planeta, podemos facilmente demonstrar que não o é. Ou melhor, o fato é que estamos acostumados aos sólidos, líquidos e gases, estados bem raros e conhecidos da matéria aqui em nosso planeta.

Por exemplo, o fogo, o mais comum exemplo de plasma.

Plasma

Os gases aquecidos e expulsos durante o ensaio de propulsão de um foguete, são exemplos típicos de plasma.

Assim como os relâmpagos, durante um dia de chuva, também são exemplos de plasma.

Plasma
Descargas atmosféricas são típicos exemplos de plasma relacionado ao nosso planeta

Plasma
Fotografia de uma aurora boreal na região do Círculo Ártico, Alaska

Indo um pouco mais a diante, temos o sol, visto que a matéria de todas estrelas jovens está no estado de plasma.

Plasma
Nosso sol, segundo o telescópio SOHO, em uma imagem no ultravioleta distante

E as estrelas, ao morrerem, ejetam sua massa que formará as nebulosas que também são plasma.

Plasma
Nebulosa do Caranguejo, remanescente da supernova que explodiu em 1054

Um conjunto de estrelas, por exemplo a galáxia de Andrômeda:

Plasma
A galáxia de Andrômeda, catalogada como M31, é uma grande e massiva galáxia em espiral

Ou ainda um aglomerado de galáxias:

Plasma
Aglomerado de galáxias conhecido como Abell 2219

Tudo, ou pelos menos 99,99% do universo visível e conhecido, plasma !!! Os outros estados da matéria são muito raros no universo...

Os vários tipos de plasma, podem ser classificados segundo sua temperatura e densidade.

Fenômenos interessantes!

As instabilidades do plasma sempre foram um problema para a conquista da fusão i resultante de uma combinação de fatores, entre eles a geometria do campo magnético externo aplicado ao plasma.

Por exemplo, a instabilidade do tipo "Flauta", ocorre quando um campo magnético externo é aplicado na mesma direção da coluna de plasma.

O plasma possui uma freqüência natural de oscilação, conhecida como freqüência de plasma, e consiste na oscilação dos elétrons livres em torno de suas respectivas posições de equilíbrio.

Um importante fenômeno relacionado a freqüência de plasma, é o fato de ondas eletromagnéticas de freqüência menor que a freqüência de plasma, serem refletidas pelo pelo plasma. Uma aplicação direta deste fenômeno, é o cálculo da densidade de plasma a partir da reflexão ou não, de ondas eletromagnéticas (em geral, ondas de rádio-freqüência).

Este mesmo fenômeno é utilizado em telecomunicações, pois a ionosfera terrestre (plasma com freqüência natural na freqüência de rádio), funciona como um "espelho" para determinadas ondas de rádio incidentes, o que permite a comunicação a longas distâncias, via múltiplas reflexões.

Ainda sobre a ionosfera, outro fenômeno interessante é a onda "whistler" (onda assovio). Eventos naturais como por exemplo, tempestades elétricas em regiões próximas aos pólos, geram ondas que irão se propagar pela ionosfera, num vai e vem entre os pólos sul e norte, acompanhando sempre as linhas de campo magnético da Terra. Os "assovios" que escutamos ao tentar sintonizar uma dada estação de rádio, são uma prova da propagação de ondas whistler pela ionosfera.

Ilustração das ondas "whistler" propagando pela ionosfera terrestre ao longo das linhas de campo magnético. A, B e C indicam diferentes freqüências para diferentes linhas de campo.

Além da freqüência natural, o plasma oscila em inúmeras outras freqüências, sendo que cada freqüência é o resultado da presença ou não de campos magnéticos externos, da geometria destes mesmos campos, da temperatura dos íons e também da propagação de ondas eletromagnéticas que viajam pelo plasma.

Uma das mais interessantes são as ondas de Alfvén, em homenagem ao físico sueco Hannes Alfvén, por suas investigações no campo da magnetohidrodinâmica.

Tais ondas, estão ligadas a oscilações dos íons na direção do campo magnético externo aplicado, além de incrivelmente, distorcerem as linhas de campo magnético, gerando um fenômeno conhecido como "congelamento do campo magnético". Com o campo "congelado", não é possível distinguir entre as linhas de campo magnético e o próprio plasma, visto que ambos possuem a mesma aparência.

Relação entre as grandezas oscilantes, durante a propagação da onda de Alfvén.

Note as linhas de campo magnético externo B distorcidas pelo plasma.

Várias são as aplicações das ondas de Alfvén: aquecimento de plasmas termonucleares magnetizados e entendimento de processos que ocorrem na atmosfera solar (ver figura abaixo).

Plasma
O arco de plasma que se eleva sob a atmosfera solar

Plasma
A aceleração do vento solar. Ambos os eventos podem ser explicados, segundo a teoria de Alfvén sobre a magnetohidrodinâmica

Aplicações dos plasmas

Várias são as aplicações dos plasmas, da eficiente esterilização de materiais hospitalares à sofisticada propulsão de sondas espaciais.

Para diferentes aplicações, exige-se também, plasmas de diferentes densidades, temperaturas e íons.

Para plasmas densos, quentes e de íons leves, temos a seguinte aplicação: fusão termonuclear controlada (FTC) dos isótopos leves do H.

Dentre as fontes alternativas de energia, a FTC é a mais promissora.

Mas, para plasmas densos, mornos e de íons pesados, temos respectivamente: propulsão e tochas a plasma.

Ambas utilizam da aceleração iônica com diferentes finalidades, a primeira para deslocar veículos espaciais e a segunda para cortar ou soldar materiais.

Agora para plasmas pouco densos, frios e de íons pesados, temos: implantação iônica, limpeza de superfícies, lâmpadas fluorescentes entre outras aplicações.

Por exemplo, durante o processo de esterilização, íons pesados de um gás inerte colide com agentes nocivos do material, removendo da superfície do material os mesmos.

Fonte: www.fis.unb.br

Plasma

O que é plasma?

O termo plasma na física, foi utilizado pela primeira vez pelo físico americano, Irving Langmuir no ano de 1928, quando estudava descargas elétricas em gases.

A palavra plasma vem da medicina onde é utilizada para apontar perturbação ou estado não distinguível.

Na superfície da Terra o plasma só se forma em condições especiais. Devido a força gravitacional da Terra ser fraca para reter o plasma, não é possível mantê-lo confinado por longos períodos como acontece no Sol. O Sol, assim como todas estrelas que emitem luz se encontram no quarto estado da matéria. Na ionosfera terrestre, temos o surgimento da Aurora Boreal, que é um plasma natural, assim como o fogo. São sistemas compostos por um grande número de partículas carregadas, distribuídas dentro de um volume (macroscópico) onde haja a mesma quantidade de cargas positivas e negativas.

Este meio recebe o nome de Plasma, e foi chamado pelo fisco inglês W. Clux de o quarto estado fundamental da matéria, pro conter propriedades diferentes do estado sólido, líquido e gasoso.

Esta mudança de estado acontece da seguinte forma: ao adicionarmos calor ao sólido este se transforma em líquido; se adicionarmos mais calor, este se transforma em gás e se aquecermos este gás a altas temperaturas, obtemos o plasma.

Sendo assim, se colocarmos em ordem crescente conforme a quantidade de energia que a matéria possui teremos:

SÓLIDO LÍQUIDO GASOSO PLASMA

A importância do estudo de física de plasma se dá em função de que, o universo matéria é 99% composto por matéria ionizada em forma de plasma, ou seja, no planeta Terra, onde a matéria se encontra normalmente nos três estados: sólido, líquido e gasoso, pode-se dizer que em relação ao Universo, vivemos num ambiente especial e raro.

Propriedades do Plasma

Ele é eletricamente neutro, neutralidade esta garantida, pelo equilíbrio das partículas componentes do plasma, resumidamente seu número de prótons e elétrons é igual.

O plasma é ótimo condutor elétrico, uma vez que possui grande quantidade de elétrons livres.

O plasma apresenta-se como ótimo condutor de calor.

O plasma é fonte de ondas eletromagnéticas. Estando o plasma sujeito a um campo magnético, este induz um campo elétrico e vice-versa.

Nota-se que, no caso do sol, o campo eletromagnético é tão intenso que influencia dispositivos sensíveis a estes campos, como satélites de comunicações por exemplo e também origina fenômenos interessantes como a aurora boreal.

Experiências com Plasma

O plasma também pode existir em baixas temperaturas, como exemplos podemos citar lâmpada fluorescente...Tmbém usado para processar esterilização em autoclave de plasma e peróxido de hidrogênio.

Fonte: www.pet.dfi.uem.br

Plasma

Podemos dizer que o estado físico da matéria está diretamente relacionado à temperatura e à pressão em que está submentido.

O que ocorre com um material que já está no estado gasoso aprisionado em um recipiente e continuar a receber energia?

Sua temperatura aumentará cada vez mais, até o ponto onde mudará novamente de estado físico, assumindo assim a forma de PLASMA - o 4º estado da matéria.

Neste estado a temperaturas superiores a temperatura de ebulição, o movimento dos átomos do gás torna-se cada vez mais enérgico e frequente, provocando choques cada vez mais fortes entre eles. Como resultado destes choques, os elétrons começam a se separar tornando-se íons, portanto o plasma consiste em uma coleção de íons positivos, elétrons e átomos neutros coexistindo em proporções variadas.

Apesar dos átomos estarem separados como íons, o plasma é um sistema neutro. Por exemplo para se obter o plasma d'água, basta aumentar a energia cinética das moléculas aprisionadas dentro de um tubo de vidro em baixa pressão, para isto pode-se recorrer a um forno de microondas cuja freqüência é determinada para excitar moléculas de água, aumentado a temperatura do vapor d'água até o ponto em que ocorre a formação de "plasma d'água". Neste estado observa-se que o tubo de vidro passa a emitir luz em tons de azul, típica do plasma de água.

As propriedades do plasma são muito diferentes dos gases, devido a interação destas cargas. Por exemplo; o plasma conduz corrente elétrica, enquanto os gases não conduzem.

Justamente, devido à energia cinética das partículas que constituem o plasma, representando mais de 90% da matéria visível do Universo. O sol e qualquer outra estrela, que constituem a maior parte da massa do cosmos, são formados por plasma, onde a temperatura chega a várias dezenas de milhões de graus. Em todos os lugares onde a matéria está extraordinariamente quente, ela encontra-se no estado plásmico.

A energia que chega aos nossos olhos em forma de luz é resultado das fusão entre as partículas que ocorrem continuamente nestes corpos celestes. O plasma também está presente no espaço interestrelar e nas proximidades dos campos magnéticos que rodeiam os planetas. Enfim, tudo que nós vemos nos céus é plasma. Como resultado da ação de campos elétricos, o plasma também se forma, discretamente, nas lâmpadas de néon ou de sódio, constituídas por gases ionizados. Porém, o estado plásmico de uma substância gasosa pode surgir a temperaturas relativamente baixas de acordo com a composição do gás. A chama de uma vela e a luminescência de uma lâmpada fluorescente são alguns exemplos.

Aplicações tecnológicas do plasma inclui: retificadores de mercúrio, chaves a arco para transmissão e controle de eletricidade. Lâmpadas fluorescentes, fontes intensas de luz de plasma excitado por microondas e telas planas a plasma são ainda outras aplicações de descargas em gás.

Fonte: www.medio.com.br

Plasma

O que é um plasma?

Um plasma é uma coleção de átomos neutros, elétrons livres e íons positivos, isto é, átomos que perderam elétrons. Para formar um plasma é necessário fornecer aos átomos energia suficiente para que eles se dissociem, de modo que, normalmente, é necessária uma alta temperatura para formar e manter um plasma.

Embora um plasma seja um gás ionizado, devido à suas propriedades peculiares ele é considerado o quarto estado da matéria; os outros três sendo o sólido, o líquido e o gasoso.

Estima-se que 99 % da matéria existente no Universo esteja no estado de plasma. Curiosamente, parece que vivemos naqueles 1% onde o plasma é mais raro de ser encontrado...

Os plasmas são caracterizados essencialmente por duas grandezas físicas: a sua temperatura (medida em Kelvin) e a sua densidade de número, ou seja, o número de partículas carregadas por metro cúbico.

Há plasmas no Universo abrangendo uma impressionante amplitude de ordens de grandeza, tanto na temperatura como na densidade, como mostra o diagrama abaixo, que contém ainda alguns exemplos de plasmas.

As estrelas, incluindo o Sol, são formadas inteiramente de plasmas de altíssima temperatura e densidade.

Há diversos exemplos de plasmas que aparecem em nosso dia-a-dia:

Chamas

Lâmpadas fluorescentes

Lâmpadas a vapor

Televisão com tela de plasma

Descarga atmosférica (raios)

Fonte: fisica.ufpr.br

Plasma

PLASMA: O 4º ESTADO DA MATÉRIA

O Que é Plasma?

Uma definição comum de plasma é descrevê-lo como o quarto estado da matéria. Normalmente pensamos em três estados da matéria: sólido, líquido e gasoso.

Para um elemento comum, como a água, estes três estados são: gelo, água e vapor. A diferença entre estes três estados está ligada aos seus níveis de energia.

Quando adicionamos energia na forma de calor ao gelo, ele derrete e forma água. Ao adicionarmos mais energia, a água evapora-se em hidrogênio e oxigênio na forma de vapor. Ao adicionar mais energia ao vapor, estes gases tornam-se ionizados. Esse processo de ionização faz com que esses gases se tornem condutores de eletricidade. Este gás, eletricamente condutor e ionizado, chama-se plasma.

Como o Plasma Corta o Metal

O processo de corte a plasma, como usado no corte de metais eletricamente condutores, utiliza este gás eletricamente condutor para transferir energia de uma fonte de alimentação elétrica, através de uma tocha de corte, ao material que está sendo cortado.

O sistema básico de corte a arco de plasma consiste de uma fonte de alimentação, um circuito de partida do arco e uma tocha. Estes componentes do sistema fornecem a energia elétrica, a capacidade de ionização e o controle do processo necessários para produzir cortes de alta qualidade e de alta produtividade em vários materiais diferentes.

A fonte de alimentação é uma fonte de corrente contínua CC. A tensão de circuito aberto está, normalmente, entre 240 a 400 VCC. A corrente de saída (corrente) da fonte de alimentação determina a velocidade e a capacidade de espessura de corte do sistema. A função principal da fonte de energia é fornecer a energia correta para manter o arco do plasma depois da ionização.

O circuito de partida do arco é um circuito gerador de alta frequência que produz tensão CA de 5.000 a 10.000 volts a, aproximadamente, 2 megahertz. Esta tensão é usada para criar um arco de alta intensidade dentro da tocha para ionizar o gás para produzir, desta forma, o plasma.

A tocha serve como suporte do bico e do eletrodo consumíveis e fornece refrigeração (água ou gás) para estas peças. O bico e o eletrodo constringem e mantém o jato de plasma.

Sequência Operacional de um Cortador a Plasma

Plasma

 

A fonte de alimentação e o circuito de partida do arco estão conectados à tocha através de fios e cabos interconectados. Estes fios e cabos fornecem o fluxo adequado de gás, fluxo de corrente elétrica e alta frequência à tocha para iniciar e manter o processo.

1. Um sinal de entrada de partida é enviado para a fonte de alimentação. Isso ativa, simultaneamente, a tensão do circuito aberto e o fluxo de gás para a tocha.

A tensão do circuito aberto pode ser medida do eletrodo (-) para o bico (+). Observe que o bico está conectado ao positivo da fonte de alimentação através de um resistor e um relé (relé do arco piloto), enquanto o metal a ser cortado (peça de trabalho) está conectado diretamente ao positivo. O gás flui através do bico e sai pelo orifício. Neste momento não há arco já que não há caminho de corrente para a tensão CC.

Plasma

2. Depois que o fluxo de gás se estabiliza, o circuito de alta frequência é ativado. A alta frequência se divide entre o eletrodo e o bico dentro da tocha de tal forma que o gás é obrigado a passar por este arco antes de sair pelo bico. A energia transferida do arco de alta frequência para o gás causa a ionização do gás, o que o torna eletricamente condutor. Este gás eletricamente condutor cria um caminho de corrente entre o eletrodo e o bico o que resulta no arco de plasma. O fluxo de gás força este arco através do orifício do bico, criando um arco piloto.

Plasma

3. Supondo que o bico esteja bem perto da peça de trabalho, o arco piloto se prenderá à peça de trabalho, já que o caminho da corrente para o positivo (na fonte de alimentação) não é restrito por uma resistência enquanto a conexão positiva do bico o é. O fluxo de corrente para a peça de trabalho é sentida eletronicamente na fonte de alimentação. Ao sentir este fluxo de corrente, a alta frequência é desativada e o relé do arco piloto é aberto. A ionização do gás é mantida com a energia do arco de CC principal.

Plasma

4. A temperatura do arco de plasma derrete o metal, perfura através da peça de trabalho e o fluxo de gás de alta velocidade remove o material derretido da parte de baixo do kerf cortado. Neste momento, o movimento da tocha é iniciado e o processo de corte começa.

Variações do Processo de Corte a Plasma

Corte a Plasma Convencional

Geralmente este processo usa um único gás (normalmente ar ou nitrogênio), que tanto resfria quanto produz o plasma.

A maioria destes sistemas está classificado abaixo de 100 A para cortes de materiais de até 1,58 cm (5/8 pol) de espessura.

Usado principalmente em aplicações portáteis.

Plasma

 

Corte a Plasma com Duplo Gás

Este processo utiliza dois gases: um para o plasma e outro como um gás de proteção.

O gás de proteção é usado para proteger a área de corte da atmosfera, produzindo uma borda de corte mais limpa. Esta é, provavelmente, a variação mais conhecida, pois muitas combinações de gases podem ser usadas para produzir a melhor qualidade de corte possível num dado material.

Plasma

 

Corte a Plasma com Proteção de Água

Esta é uma variação do processo de duplo gás onde a água é substituída pelo gás de proteção.

Isso produz um melhor resfriamento do bico e da peça de trabalho, assim como uma melhor qualidade de corte em aço inoxidável.

Este processo é apenas para aplicações mecanizadas.

Plasma

Corte a Plasma com Injeção de Água

Este processo usa um único gás para o plasma e utiliza água injetada radialmente ou distribuída diretamente no arco para melhorar muito a constrição do arco e, portanto, aumentar a densidade e as temperaturas do arco.

Este processo é usado de 260 a 750 A para uma alta qualidade de corte de muitos materiais e espessuras.

Este processo é apenas para aplicações mecanizadas.

Fonte: www.hypertherm.com

Plasma

Os Sóis do Universo são feitos de PLASMA GASOSO.

Plasma é o nome que se dá ao QUARTO ESTADO DA MATÉRIA.

O plasma é com frequência chamado o quarto estado da matéria, ao lado dos estados sólido, líquido e gasoso. Ele é criado quando um gás é superaquecido e os elétrons se rompem, deixando partículas eletricamente carregadas.

Conforme a temperatura aumenta, o movimento dos átomos do gás torna-se cada vez mais enérgico e frequente, provocando choques cada vez mais fortes entre eles. Como resultado destes choques, os elétrons começam a se separar. “Basta lembrar da Teoria Cinética dos Gases”( Prof Antonio).

No seu conjunto, o plasma é neutro, já que contém uma quantidade igual de partículas carregadas positiva e negativamente. A interação destas cargas dá ao plasma uma variedade de propriedades diferentes das dos gases.

O plasma "ideal" com as partículas atômicas completamente divididas corresponde a uma temperatura de várias dezenas de milhões de graus. Em todos os lugares onde a matéria está extraordinariamente quente, ela encontrasse no estado plásmico.

Porém, o estado plásmico de uma substância gasosa pode surgir a temperaturas relativamente baixas de acordo com a composição do gás. A chama de uma vela e a luminescência de uma lâmpada fluorescente são alguns exemplos.

O plasma aparece naturalmente no espaço interestelar e em atmosferas do Sol e de outras estrelas. Porém, ele também pode ser criado em laboratório e pelo impacto de meteoros.

O "quarto estado da matéria", em extensão aos estados sólido, líquido e gasoso (esta descrição foi usada primeiramente por William Crookes em 1879). A ilustração abaixo mostra como a matéria muda de um estado para outro à medida que se fornece energia térmica à mesma.

Plasma
Ilustração da estrela Cygnus que é um grande SOL composto de PLASMA de hidrogênio sendo
SUGADO por um BURACO NEGRO cuja massa é 6 vezes maior que a do NOSSO SOL

Plasma

Os plasmas possuem todas as propriedades dinâmicas dos fluidos, como turbulência, por exemplo. Como são formados de partículas carregadas livres, plasmas conduzem eletricidade. Eles tanto geram como sofrem a ação de campos eletromagnéticos, levando ao que se chama de efeito coletivo.

Isto significa que o movimento de cada uma das partículas carregadas é influenciado pelo movimento de todas as demais. O comportamento coletivo é um conceito fundamental para a definição de plasmas.

Quando a matéria está sob a forma de plasma, temos que a temperatura em que ela se encontra é tão elevada que a agitação térmica de seus átomos é enorme, de forma que chega a sobrepor a força que mantém unidos ao núcleo os prótons, nêutron e elétrons.

Apesar de dificilmente ser conseguido o estado de plasma na Terra, os cientistas estimam que cerca de 99% de toda a matéria existente no universo esteja sob a forma de plasma. Uma vez que o plasma possui elétrons capazes de mover-se livremente, ele possui propriedades fantásticas, como a de um ótimo condutor de eletricidade e calor.

Ele possui também formas extremamente particulares de interação com campos magnéticos e com ele mesmo. Como seus elétrons se movem livremente em seu interior, existe uma corrente elétrica dentro do plasma que gera, pela Lei de Ampère, um campo magnético.

Estes elétrons também se movem em círculos de acordo com um campo magnético próprio do plasma, e para o caso da temperatura do plasma ser muito elevada, este movimento circular dos elétrons pode causar a emissão de ondas eletromagnéticas. Os campos magnéticos associados ao plasma podem ser extremamente intensos, como se pode notar no caso do Sol, onde os campos magnéticos do plasma são responsáveis pelas colunas de convecção de calor, dando origem a manchas solares, ventos solares etc.

Fonte: profacsouza.br.tripod.com

Plasma

Plasma dos antigos gregos à televisão que você quer ver

Desde sempre as pessoas se perguntam: do que tudo ao nosso redor é feito? Entender esta inquietação de nós humanos é fácil, pois existe uma grande diversidade de matéria a nossa volta e ainda ao alcance de nossos olhos no espaço. Após a invenção do telescópio, foi possível enxergar mais longe e ver a diversidade de matéria do universo. Será que os constituintes da matéria no nosso planeta são os mesmos constituintes da matéria existente no espaço? Será que existe um “tijolo fundamental” do qual a matéria é constituída? Se existe, como ele é?

A aventura da humanidade pela busca destas respostas começou há muito tempo atrás.

O início se deu com o pai do pensamento científico ocidental - Tales de Mileto. Nossa história começa na Grécia antiga, mais precisamente há 2.500 anos.

Foi neste período que viveu Tales, na cidade grega de Mileto - onde fica a atual Turquia.

Tales buscava a resposta para a constituição básica de tudo que existe ao nosso redor, e formulou uma teoria. Ao contemplar as conchas marinhas encravadas muito acima do nível do mar concluiu - corretamente - que o nível do mar teria sido muito mais alto antigamente. Ele também observava a chuva cair sobre o mar Egeu, e a névoa costumeira desta região.

Com base em suas observações, ele concluiu que tudo era feito de água. Sua teoria dizia que tudo se originava de um único elemento, a água.

Um de seus discípulos discordava de seu mestre - como todo bom discípulo.

Para Anaxímenes o elemento do qual todo o resto deriva não era a água, e sim o ar.

Ele dizia o seguinte: tudo era constituído de uma substância básica que, quando rarefeita, constituía o ar. Logo tudo era ar, em uma fase de maior ou menor compressão.

Na cidade grega de Éfeso viveu por volta de 500 a.C. um grande filósofo da antiguidade: Heráclito.

Ele tinha sua própria teoria para a grande diversidade de matéria ao nosso redor: tudo era originado pelo fogo, pois para ele a matéria está em constante mudança e o fogo é o agente desta mudança.

Em uma colônia grega na ilha da Sicília, viveu por volta do século V a.C. o filósofo Empédocles.

Para ele a idéia de que tudo era feito a partir de um único elemento não poderia estar correta; então ele propôs que tudo era constituído não de um, mas de quatro elementos: ar, água, terra e fogo.

Aos nossos olhos modernos, poderíamos olhar os elementos básicos de Empédocles como sendo cada um deles representante de uma fase ou estado da matéria.

O ar é a fase gasosa, a terra a sólida, a água a líquida. E o fogo?

O fogo também pode ser considerado como uma fase da matéria. Os gregos antigos não tinham como saber isto, mas o fogo não se enquadra em nenhuma das três fases citadas antes porque não tem as características das mesmas. Ele está em uma quarta fase da matéria chamada de plasma.

A idéia de que tudo era formado destes quatro elementos foi duradoura, em parte porque foi defendida pelo filósofo que influenciou o pensamento humano durante mais tempo, Aristóteles, cujas idéias foram aceitas durante 2000 anos (as idéias de Galileo e Newton são aceitas há menos de 500 anos!). Por este fato, os quatro elementos são ditos aristotélicos.

Aristóteles ainda introduziu um quinto elemento, pois para ele os céus, que abrangiam tudo que não estivesse no nosso planeta, não eram feitos dos mesmos elementos deste. Para Aristóteles os céus eram imutáveis, diferente da Terra, onde a matéria poderia sofrer modificações. O mundo celeste era preenchido por um quinto elemento - o ‘éter’ ou ‘quinta-essência’.

Viagem ao íntimo da matéria

Vamos continuar ainda com os gregos antigos.

Agora nossa viagem chega à pergunta feita por Leucipo, no século V a.C. Seus questionamentos eram: a matéria é contínua ou é constituída de unidades mínimas? Se pudéssemos cortar um corpo chegaríamos a uma porção que seria indivisível? Leucipo acreditava que existia esta unidade mínima que seria indivisível, a qual ele chamou de ‘átomo’, que em grego significa ‘indivisível’. Sua idéia foi refinada por um discípulo chamado Demócrito. Para ele, os átomos eram em número infinito e estavam em constante movimento. Existiria um número gigantesco de átomos diferentes, e estas diferenças estariam nas formas, massas e tamanhos.

A idéia dos átomos nos parece extremamente moderna, só que foi esquecida durante dois milênios em detrimento da teoria dos quatro elementos aristotélicos.

A idéia atômica foi revivida por um professor de química do século XVIII, que acreditava ainda na indivisibilidade do átomo.

Ele imaginava os átomos como uma espécie de bolinhas muito, mas muito pequenas; este é o modelo atômico de Dalton - ele ainda foi o descobridor da doença conhecida como daltonismo, em que a pessoa não consegue distinguir alguns tipos de cores dos corpos. Desde então a idéia atômica foi sendo refinada até chegar à forma atual.

O modelo atual de átomo afirma que ele é composto por um núcleo e pelos elétrons orbitando na coroa eletrônica. Na parte central do átomo temos o núcleo.

Esta região é muito, mas muito pequena em relação ao tamanho total do átomo, embora concentre quase toda a sua massa. Nesta região central se localizam dois tipos de partículas, os prótons (p+) e os nêutrons (n°).

A carga do próton é a de menor valor que existe e é positiva; os nêutrons não possuem carga resultante.

Ao redor do núcleo existe uma espécie de nuvem onde outras partículas se localizam.

Estas partículas são os elétrons (e-), e possuem carga elétrica negativa, e de mesmo valor que a carga do próton (a única diferença é que são cargas de sinais opostos). Então quando se fala em carga elétrica, lembre-se que esta é uma propriedade da matéria. Da mesma forma que a matéria tem massa, algumas partículas que constituem a matéria têm carga elétrica.

A Fig. 1 representa a idéia do modelo atual do átomo. Esta figura não pode ser tomada ao pé da letra; ela apenas serve para dar uma idéia da estrutura do átomo.

Diferente do que pensava Demócrito, o número de átomos diferentes entre si é surpreendentemente pequeno, cerca de uma centena. Eles estão organizados na tabela periódica dos elementos proposta inicialmente pelo cientista russo Mendeleev.

Os átomos se diferenciam basicamente pelo número de prótons no seu núcleo; este número é chamado de ‘número atômico’. Por exemplo, o número atômico do hidrogênio é 1, significando que ele possui um próton no seu núcleo, ao passo que o número atômico do urânio é 92; portanto, ele possui 92 prótons em seu núcleo. A grande diversidade da matéria existente no universo não é devida a um grande número de átomos distintos, e sim ao grande número de combinações que este número limitado de átomos pode fazer entre si.

Sal de cozinha e ácido clorídrico contém o elemento cloro, mas são muito diferentes, pois o cloro se combina com elementos diferentes: no sal de cozinha, com o sódio; no ácido clorídrico, com o hidrogênio.

Plasma
Figura 1. Concepção moderna e esquemática de um átomo de Hélio. As regiões sombreadas indicam a localização mais provável de se encontrarem os elétrons. A região central indica o núcleo, com dois prótons e dois nêutrons. A figura não está em escala

Fases da matéria

Os átomos que constituem os corpos se organizam de maneiras diferentes.

Podemos chamar de matéria a tudo o que é composto de átomos.

Esta matéria pode se organizar de diferentes formas, e estas formas podem, por sua vez, apresentar-se nos estados sólido, líquido e gasoso, dependendo da temperatura e pressão a que a matéria esteja submetida. A estes estados em que podemos entrar a matéria damos o nome de ‘fases’ ou ‘estados de agregação’ da matéria. Na fase sólida as partículas estão fortemente unidas e mais juntas umas em relação às outras do que em outras fases. À temperatura ambiente uma moeda de alumínio se apresenta nesta fase da matéria. Já na fase gasosa as partículas estão fracamente unidas e bem separadas, tendo a tendência de ocupar todo volume disponível. À temperatura ambiente o ar está nesta fase da matéria.

Na fase líquida temos uma situação intermediária entre a fase sólida e gasosa. As partículas na fase líquida estão tão juntas quanto na fase sólida, mas a interação entre elas é mais fraca que nesta fase e mais forte do que na fase gasosa, ou seja, elas não estão unidas de forma tão forte como na fase sólida nem tão fraca como na fase gasosa.

Para moldar o ferro na forma de cadeiras ou mesas é necessário derreter o ferro (torná-lo líquido), e após isto colocálo em moldes com a forma desejada.

Quando ele voltar a ser sólido (resfriado, portanto) ele tomará a forma que se desejava.

Se continuássemos a aquecer o ferro líquido, ele iria se tornar gasoso. Por outro lado, se o oxigênio do ar for resfriado suficientemente, ele poderá se tornar líquido, e se continuarmos esfriando ainda mais, ele se tornará sólido.

Portanto todos os elementos conhecidos podem assumir estas três fases da matéria.

As mudanças de fase de um elemento (de sólido para líquido, ou de líquido para gasoso, por exemplo) recebem nomes específicos como mostra Fig. 2.

Plasma
Figura 2. Classificação das mudanças de fases de um elemento

Das três fases da matéria apenas duas podem fluir, daí dar-se o nome de ‘fluidos’ a elas. Os fluidos são os líquidos e os gases.

Assim, uma moeda de alumínio não está na fase fluida, ao passo que um litro de água ou 300 ml de ar estão.

O quarto estado da matéria

Além dos três estados analisados existe um outro, chamado plasma. A nomenclatura plasma foi utilizada pela primeira vez em 1926, pelos físicos I. Langmuir e H. Mott-Smith. Na verdade, chamar o plasma de quarto estado da matéria não é justo, de certo ponto de vista. Deveríamos chamá-lo de primeiro estado da matéria, pois deste estado é formado cerca de 99% de toda a matéria visível do universo; os outros três constituem, portanto, o 1% restante. Mas o que é um plasma?

Para entender o que ele é, devemos voltar à estrutura atômica e termos claras algumas definições: o átomo é constituído de um núcleo com carga positiva e eletrosfera negativa. Quando o número de cargas positivas é igual ao número de cargas negativas o átomo é dito eletricamente neutro. Mas existem processos em que um átomo pode ganhar ou perder elétrons.

Quando ele ganha elétrons, sua carga negativa é maior do que a positiva (ele está negativamente carregado). Quando o átomo perde elétrons, sua carga positiva é maior do que a negativa (ele está positivamente carregado). Os elétrons que se desligaram do átomo e que não estão mais ligados a ele são chamados de ‘elétrons livres’. Quanto aos átomos em si, se um átomo tem número de prótons e elétrons diferentes, ele é chamado ‘íon’. Este íon pode ser positivo (mais prótons do que elétrons), o chamamos ‘cátion’. Quando o íon é negativo (mais elétrons do que prótons), o chamados ‘ânion’.

Agora que sabemos o que são átomos neutros, íons e elétrons livres, podemos definir o que é um plasma:

Plasma é um gás que contém uma mistura variada de átomos neutros, átomos ionizados e elétrons livres em constante interação elétrica.

Lembre-se: cargas opostas se atraem e iguais se repelem, e a isto chamamos interação elétrica. Quando partículas portadoras de carga elétrica se mantêm em movimento, estabelece-se uma corrente elétrica. Estes portadores de carga são os elétrons em sólidos mas, nos líquidos e gases, além dos elétrons também os íons positivos e negativos são portadores de carta.

Apesar de os íons terem carga líquida positiva ou negativa, o plasma não tem; como um todo ele é eletricamente neutro, pois nele existe igual quantidade de cargas positivas e negativas, exatamente como em um gás constituído somente com moléculas neutras.

Então qual a diferença entre um gás formado por moléculas neutras e um plasma? Um plasma tem a capacidade de conduzir facilmente corrente elétrica. Além disto, absorve certos tipos de radiação que passariam sem interagir em um gás formado de moléculas neutras.

Os plasmas normalmente são criados aquecendo-se um gás a temperatura muito elevada, quando então alguns elétrons recebem energia suficiente para se desligar dos átomos a que estavam presos, resultando átomos com carga positiva (cátions) e elétrons livres (aqueles que se desligaram).

Mas… existe plasma em nosso mundo cotidiano?

Sim!!!

Onde ele está?

A lâmpada fluorescente talvez seja a aplicação mais imediata, e vamos detalhar mais sobre ela adiante neste texto.

Os letreiros de néon são outro exemplo: eles usam gás neônio, emitindo luz vermelha.

Os outros tipos de cores decorre do uso de gases de diferentes tipos de átomos; o argônio brilha na cor azul, o sódio na amarela, o hélio na rosa. A luz emitida não é gerada pelo plasma, mas sim pelas moléculas neutras do gás. O papel do plasma nos letreiros, nas lâmpadas fluorescentes e nas telas das televisores de plasma é o de coadjuvante; quem faz o papel principal de emitir luz são os átomos de gás eletricamente neutros. As lâmpadas de vapor usadas em vias públicas também utilizam plasma para emitirem luz.

Pudesse usar neste tipo de lâmpada alguns tipos de elementos para formar o gás: mercúrio e sódio são os mais comuns. Um lindo fenômeno, chamado de aurora boreal no hemisfério norte e aurora austral no hemisfério sul, é constituído de plasmas brilhando na alta atmosfera. Existe uma região atmosférica, a cerca de 80 km de altitude, chamada de ionosfera. Como o próprio nome diz, ela é um plasma. Esta camada reflete ondas de rádio de baixa freqüência, como as de AM, ao passo que deixa passar ondas de rádio de alta freqüência, como as de FM e de televisão.

É por este motivo que é possível captar rádios AM de localidades distantes - até de outros continentes - e não se consegue captar as rádios FM e os canais de TV destes lugares. Como vemos, o plasma está mais presente em nosso cotidiano do que poderíamos supor inicialmente. Além do mais, uma maneira promissora de gerar energia utiliza plasma. Trata-se da fusão nuclear. Tal processo é o responsável pela geração de energia nas estrelas, onde hidrogênio é transformado em hélio, resultando na liberação de energia de acordo com a famosa equação de Einstein, E = m.c². Muito esforço tem sido feito para que tais reações sejam reproduzidas de forma controlada aqui na Terra, visando se tornar uma alternativa viável para geração de energia.

E o átomo disse: faça-se a luz!

Agora vamos analisar uma explicação microscópica de como se gera luz. Primeiro temos que dizer que os átomos têm níveis de energia, que podem conter ou não elétrons. Cada nível de energia pode ser ocupado por um determinado número de elétrons. Para entender, observe a Fig. 3.

Plasma
Figura 3. Os níveis de energia na moderna concepção do átomo

A eletrosfera é dividida em sete camadas que podem ser chamadas por números ou letras. Quanto maior o número da camada, maior a energia de um elétron que está alojado nela. Assim, um elétron na camada M tem energia maior que outro na camada K. Um na camada Q tem mais energia que outro na camada M.

Os elétrons podem “pular” de camada. Para passar de uma camada de menor energia para uma de maior, o elétron deve receber energia de fora do átomo (Fig. 4).

Plasma
Figura 4. Um elétron passa da camada de menor energia para a de maior energia ao receber energia de fora do átomo

Logo, para um elétron da camada K pular para a camada L, M ou N, por exemplo, ele deve receber energia de fora do átomo e também o estado/camada para onde ele vai não deve estar totalmente ocupado, como esquematizado na figura a seguir.

Chama-se este átomo que recebeu energia e no qual um ou mais elétrons mudaram de camada de energia, de estado excitado do átomo.

Quando os elétrons dos estados excitados voltam para as suas camadas de origem, eles irão liberar energia. Esta energia liberada normalmente o é na forma de luz, muitas vezes na faixa do ultravioleta, que não é visível a nós humanos. A Fig. 5 exemplifica a situação descrita. Nas lâmpadas fluorescentes, como veremos, há geração de luz ultravioleta e para transformá-la em luz visível, os fabricantes usam uma camada de fósforo em suas paredes.

Plasma
Figura 5. Um elétron passa da camada de maior energia para a de menor energia ao liberar
uma certa quantidade de energia normalmente na forma de luz

Lâmpadas fluorescentes: uma aplicação brilhante!

Como já foi dito, uma das aplicações cotidianas mais populares do plasma é a lâmpada fluorescente. Vamos entendê-la melhor agora. Neste tipo de lâmpada existe um cilindro que contem gás dentro dele.

Este gás normalmente é neônio misturado com argônio e com uma pequena quantidade de mercúrio. Em uma das extremidades desse cilindro está o catodo (terminal negativo) e na outra extremidade o anodo (terminal positivo). A lâmpada tem suas paredes recobertas com uma camada de fósforo, cuja função é transformar a luz ultravioleta em luz visível. A Fig. 6 mostra de maneira esquemática uma lâmpada fluorescente.

Plasma
Figura 6. Esquema da lâmpada fluorescente

Quando a lâmpada está brilhando, dentro dela existe um plasma em ação: ao se ligar a lâmpada, cria-se uma diferença de potencial entre o catodo e o anodo. Esta diferença de potencial fará os elétrons fluírem de um em direção ao outro através do gás dentro da lâmpada. Estes elétrons irão ionizar o gás dentro da lâmpada, formando um plasma, que é condutor e mantém a corrente elétrica fluindo. Esta corrente, fluindo através do plasma, ativará alguns átomos de mercúrio presentes no gás dentro da lâmpada, e, do modo como comentado na seção anterior, estes emitirão luz na faixa do ultravioleta, que não é visível ao homem.

O plasma tem a função de excitar os átomos de mercúrio, não de emitir luz. Como já havíamos dito, ele é um coadjuvante para os outros brilharem. O processo no gás dentro dos brilhantes luminosos comerciais é o mesmo, e tais luminosos são genericamente conhecidos como néon.

Televisão de plasma: entender o funcionamento não custa nada, mas comprar uma...

Para grande surpresa, a televisão de plasma não é uma invenção das mais recentes.

Ela remonta à década de 60 do século passado, e foi inventada na universidade americana de Illinois, pelos cientistas Donald L. Bitzer e H. Gene Slottow.

Estas primeiras telas de plasma eram monocromáticas, nas cores laranja ou verde.

Na década de 70 do século passado, o cientista Larry Weber, da mesma universidade, construiu a tela colorida como conhecemos hoje. Antes de conhecermos a televisão de plasma, falemos rapidamente sobre as tradicionais. Elas utilizam a tecnologia de tubo de raios catódicos, que nada mais é que um canhão que emite um feixe de elétrons dentro de um tubo de vidro.

Seu funcionamento é basicamente o seguinte: o feixe de elétrons excita os átomos de fósforo na tela da televisão.

A imagem é produzida pelos diferentes brilhos em diferentes áreas da tela. Na tela existem células unitárias capazes de brilhar em três cores diferentes, vermelho, verde e azul. Com a combinação destas três cores em diferentes proporções é possível formar qualquer cor desejada. Assim, se a imagem que queremos no canto da tela é amarela, o feixe de elétrons irá combinar as cores da célula unitária de tal forma a formar o amarelo. Esta célula unitária é chamada pela palavra de origem inglesa pixel. Quanto maior o número de pixels em uma tela, melhor será a imagem.

A grande desvantagem do televisor tradicional de tubo de raios catódicos é o seu tamanho. Quanto maior deseja-se a tela, maior terá que ser o tamanho do tubo para que os raios catódicos a alcancem totalmente, e muito maior será a TV. Quem já viu uma TV tradicional de 29 polegadas sabe do que estamos falando.

Então era preciso uma nova tecnologia para se comercializar televisores com telas maiores, e adivinhem qual é uma delas? Exatamente, a tela de plasma! Esta tecnologia permite construir grandes telas sem a necessidade do enorme tubo de raios catódicos da televisão tradicional; as de plasma medem apenas uns 15 cm de espessura.

Mas como isto é possível? A idéia da televisão de plasma é fazer brilhar pequenos pontos, que se comportam como se fossem pequenas lâmpadas fluorescentes como as descritas na seção anterior. Estas pequenas lâmpadas fluorescentes são formadas pelas cores primárias que compõem as cores do espectro luminoso (verde, azul e vermelho).

Além do mais, as telas de plasma podem ter até um milhão de pixels.

A tela de plasma é formada por células que têm basicamente: dois vidros que compõem a tela, dois eletrodos, um gás que preenche o espaço entre os vidros (normalmente neônio ou xenônio) e um material fosforescente. A Fig. 7 esboça uma tela de plasma.

Plasma

O eletrodo que fica atrás da tela é chamado de eletrodo emissor, e o eletrodo que fica na placa de vidro dianteira, transparente, é chamado de eletrodo de exposição.

Esses dois eletrodos criam uma diferença de potencial. Esta diferença de potencial promoverá uma corrente elétrica através do gás presente dentro da célula da tela que promoverá uma descarga, que por sua vez ionizará os átomos do gás dentro do vidro; gás ionizado é um plasma - que também aqui terá o papel de coadjuvante, apenas mantendo a descarga para excitar o gás neutro dentro da tela de plasma para que este, sim, brilhe.

A corrente estimulará os átomos das moléculas neutras do gás, pois os elétrons livres da corrente colidirão com as moléculas de gás, fornecendo a energia necessária para que este se excite.

Os átomos de xenônio e neônio - excitados pela ação dos elétrons livres - emitirão luz quando os elétrons voltarem para níveis de energia mais estáveis. Esta energia é emitida na forma de luz ultravioleta. Como já sabemos, a luz ultravioleta não é visível aos olhos humanos, para enxergarmos termos que transformá-la em luz na faixa do visível. Como no caso da lâmpada fluorescente, a solução é utilizar o fósforo.

A radiação ultravioleta irá interagir com o fósforo presente no interior da célula: ao atingir o fósforo, ele recebe energia e um de seus elétrons passa para um nível de energia maior. Quando este elétron volta ao nível de energia inicial, ele libera energia na forma de luz visível. Na tela de plasma diferente da lâmpada fluorescente - a luz emitida é colorida. Isto acontece porque cada célula é formada por três partes que emitem cores diferentes - como mostra a Fig. 7. Com a mistura destas cores temos toda a gama de cores que vemos em uma tela de plasma.

Para formar a luz de cor branca, por exemplo, as três cores devem ser emitidas, para ciano somente as cores azul e verde, para magenta, apenas a azul e vermelha, e para formar o amarelo, as cores verde e vermelha.

Com o aumento ou diminuição da corrente através do plasma, podemos aumentar ou diminuir a intensidade das cores, podendo gerar uma quantidade significativa de tons de vermelho, verde e azul.

A vantagem da televisão de plasma é que o imenso tubo de raios catódicos dos televisores tradicionais não é necessário, o que permite a construção de um equipamento muito fino. Este tubo de raios catódicos na televisão tradicional é quem ativa os pixels na sua tela, enquanto na de plasma os pixels são ativados por impulsos elétricos.

Além disto, na televisão tradicional os raios catódicos varrem a tela, e os pixels não acendem todos juntos; na de plasma todos os pixels acendem juntos, permitindo uma imagem de melhor qualidade.

Notas

Não confundir com o plasma sangüíneo, são homônimos que se referem a conceitos completamente diferentes.

Fósforo é tratado aqui como um nome genérico aplicado a substâncias que exibem o fenômeno da “fosforescência”, de modo que “fósforo” não é necessariamente o elemento de número atômico 15.

Felipe Damasio

Gilberto Calloni

Fonte: www.sbfisica.org.br

Plasma

O que é o Plasma?

A palavra Plasma pode ter vários significados:

Plasma - é um estado da matéria

Plasma - é a parte líquida do sangue

Plasma - é uma variedade criptocristalina de quartzo.

Plasma - é o álbum de estreia da banda Blasted Mechanism.

Plasma - tecnologia de painés (TV) de plasma.

Mas, no momento estamos interessados, apenas, em entender o que significa o plasma que se encontra nos monitores de televisão.

Esse plasma é um estado da matéria.

Você, provavelmente, deve ter estudado que a matéria pode ser encontrada nos estados: sólido, líquido e gasoso.

No entanto, há outros estados em que a matéria também pode ser encontrada como o plasma, que é conhecido como o quarto estado da matéria (a matéria pode ser encontrada em seis estados: sólido, líquido, gasoso, plasma, condensado de Bose-Einstein e condensado fermiônico. No entanto, ainda não há um consenso geral sobre esta classificação).

Na física, plasma é o estado dos gases ionizáveis, ou seja, o gás é formado por partículas livres e fluidas, os íons positivamente carregados e os elétrons (partículas com carga negativa) em uma distribuição quase-neutra (concentrações de íons positivos e negativos praticamente iguais) que possuem comportamento coletivo.

Em cada átomo de um gás neutro o número de elétrons, negativamente carregados, que orbitam ao redor do núcleo é igual ao número de prótons, positivamente carregados, que se encontram no núcleo. Entretanto, a perda de um ou mais elétrons causa a ionização destes átomos. Dentro de uma escala de volume macroscópica, o plasma é quase-neutro , ou seja, o número de cargas negativas é igual ao número de cargas positivas.

Como são formados de partículas carregadas livres, plasmas conduzem eletricidade. Eles tanto geram como sofrem a ação de campos eletromagnéticos, levando ao que se chama de efeito coletivo. Isto significa que o movimento de cada uma das partículas carregadas é influenciado pelo movimento de todas as demais. O comportamento coletivo é um conceito fundamental para a definição de plasmas.

O estado de plasma de uma substância é mais abundante a temperaturas bem elevadas, no entanto também pode surgir a temperaturas relativamente baixas em dependência da composição, estrutura a grau de rarefação do gás. Como já foi citado, a perda de elétrons ioniza os átomos de um gás.

A ionização ocorre e o estado ionizado se sustém porque o gás:

1. é muito quente, tal que as colisões entre átomos são suficientemente intensas para que os elétrons sejam arrancados dos mesmos;

2. é muito rarefeito, de maneira que os elétrons, uma vez removidos, raramente encontrarão um íon com o qual possam se recombinar;

3. está sujeito a fontes externas de energia, tais como campos elétricos intensos ou radiações capazes de arrancar os elétrons dos átomos.

A chama de uma vela, a luminescência da lâmpada de luz fria, o arco elétrico, a descarga elétrica, o jato de fogo que sai da tubagem do motor de reação ou do foguete, o rastro que deixa o relâmpago, são alguns dos fenômenos com os quais o homem toma contato de uma forma direta ou indireta, e em alguns casos utiliza para seu beneficio, deste quarto estado da matéria.

Estima-se que 99% de toda matéria conhecida esteja no estado de plasma, o que faz deste o estado da matéria mais abundante do universo. Plasmas clássicos possuem densidade e temperatura com valores que se distribuem numa larga faixa de abrangência. A densidade varia mais do que 30 ordens de magnitude e a temperatura pode variar mais do que 7 ordens de magnitude. A figura abaixo mostra alguns dos plasmas de laboratório (produzidos nos laboratórios) assim como alguns plasmas que ocorrem na natureza.

Os campos magnéticos associados ao plasma podem ser extremamente intensos, como se pode notar no caso do Sol, onde os campos magnéticos do plasma são responsáveis pelas colunas de convecção de calor, dando origem a manchas solares, ventos solares etc.

Plasma
Radiaçao eletromagnética em luz ultravioleta do sol:A luz ultra-violeta emitida pelo ferro ionizado 11 vezes a temperaturas de mais de 2 milhões de graus Fahrenheit foi usada para fazer esta imagem, registada a 22 de Setembro de 2001, data do equinócio de Outono. Foi feita com a câmara EIT a bordo da sonda SOHO, um observatório espacial que continuamente observa o Sol. Ferro ionizado 11 vezes é ferro atómico sem 11 dos seus elétrons (chamado Fe XII). Aqui os elétrons são afastados pelas loucas colisões com outros átomos, que ocorrem a extremas temperaturas na coroa solar. Dado que os elétrons têm carga negativa, o átomo de ferro ionizado daí resultante é altamente carregado positivamente

Descoberta e aplicações

O primeiro cientista a iniciar as pesquisas efetivas sobre plasma foi Michael Faraday, em 1830, que começou a realizar estudos sobre descargas elétricas na atmosfera e seus efeitos nas reações químicas induzidas. Durante suas pesquisas ele observou estruturas gasosas luminosas, que indicavam um novo estado da matéria.

Com a descoberta do elétron e o aperfeiçoamento dos tubos de descarga a vácuo, estudos com gases à baixa pressão, conduzidos pelos cientistas Langmuir e Crookes, permitiram a elaboração dos primeiros modelos teóricos para ionização, recombinação, difusão, colisões elétron-íon e a formação de íons negativos.

O termo plasma foi utilizado algum tempo depois (1920), por Irving Langmuir e H. Mott-Smith, para designar gases ionizados. Como plasma se refere à matéria moldável, os cientistas provavelmente se referiram à propriedade que o plasma tem de reagir a campos eletromagnéticos, podendo ter sua trajetória modificada, como se fosse um "fio de luz".

Plasma
Michael Faraday (1791 - 1867)

Plasma
Irving Langmuir (1880 - 1940)

Plasma
William Crookes (1832 - 1919)

Histórico das aplicaçõesdo plasma:

Em 1929, estudos com sondas eletrostáticas, no diagnóstico de plasmas em descargas a baixa pressão, foram precursores dos tubos de descarga com mercúrio gasoso para iluminação - as futuras lâmpadas fluorescentes.

A partir da década de 30, o plasma foi examinado pela ciência e seus fundamentos teóricos foram edificados. O interesse na obtenção de novas fontes de energia relevou a importância do plasma no processo de fusão nuclear.

Em 1961, surgiu o primeiro conceito bem sucedido de confinamento magnético de plasmas. Pouco tempo depois, a União Soviética construiu a primeira máquina capaz de confinar o plasma e obter energia oriunda de fusão nuclear, batizado de Tokamak. O Tokamak é pesquisado até hoje e acredita-se ser, teoricamente, o melhor candidato à nova fonte de energia desse século.

Em 1970, foram instauradas as primeiras tecnologias de pesquisa em plasmas, como exemplos, as lâmpadas especiais, arcos de plasma para solda e corte, chaves de alta tensão, implantação de íons, propulsão espacial, laser a plasma e reações químicas com plasmas reativos. Deixava de ser apenas teórico e passava a ter utilidade prática.

Em 1994, vem ao público o uso do plasma em terminais de vídeo plano, em Osaka, no Japão. Era a idéia motriz das TVs de plasma.

Em 1999, verificou-se que a utilização de filtros a plasma eliminava 90% de gases poluentes de veículos automotores.

Em 2000, ocorreu com sucesso a utilização de propulsores iônicos para propulsão primária com xenônio na aeronave Deep Space I.

Fonte: www.ced.ufsc.br

Plasma

Diversidade de Plasmas

Plasmas na natureza e de laboratório

Plasmas clássicos possuem densidade e temperatura com valores que se distribuem numa larga faixa de abrangência.

A densidade varia mais do que 30 ordens de magnitude e a temperatura pode variar mais do que 7 ordens de magnitude.

O plasma é um gás ionizado

O plasma é um gás formado por íons positivamente carregados e elétrons (Irving Langmuir introduziu a palavra plasma em 1928 para descrever um gás ionizado).

Em cada átomo de um gás neutro o número de elétrons, negativamente carregados, que orbitam ao redor do núcleo é igual ao número de prótons, positivamente carregados, que se encontram no núcleo. Entretanto, a perda de um ou mais elétrons causa a ionização destes átomos. A figura abaixo ilustra um plasma de íons e elétrons livres gerados pela ionização total do gás de hidrogênio. Dentro de uma escala de volume macroscópica, o plasma é quase-neutro , ou seja, o número de cargas negativas é igual ao número de cargas positivas.

Plasma

Ionização de um gás

A perda de elétrons ioniza os átomos de um gás. A ionização ocorre e o estado ionizado se sustém porque o gás:

É muito quente, tal que as colisões entre átomos são suficientemente intensas para que os elétrons sejam arrancados dos mesmos,

É muito rarefeito, de maneira que os elétrons, uma vez removidos, raramente encontrarão um íon com o qual possam se recombinar,

Está sujeito a fontes externas de energia, tais como campos elétricos intensos ou radiações capazes de arrancar os elétrons dos átomos.

O quarto estado da matéria

O plasma também é chamado de "quarto estado da matéria", em extensão aos estados sólido, líquido e gasoso (esta descrição foi usada primeiramente por William Crookes em 1879). A ilustração abaixo mostra como a matéria muda de um estado para outro à medida que se fornece energia térmica à mesma.

Plasma

Os plasmas possuem todas as propriedades dinâmicas dos fluidos, como turbulência, por exemplo. Como são formados de partículas carregadas livres, plasmas conduzem eletricidade. Eles tanto geram como sofrem a ação de campos eletromagnéticos, levando ao que se chama de efeito coletivo. Isto significa que o movimento de cada uma das partículas carregadas é influenciado pelo movimento de todas as demais. O comportamento coletivo é um conceito fundamental para a definição de plasmas.

Física Básica de Plasma

O objetivo da física dos plasmas é compreender o comportamento de gases ionizados usando uma metodologia interdisciplinar e novas técnicas de análise. A física dos plasmas moderna aborda problemas importantes associados a fenômenos não-lineares, que envolvem muitos corpos, em sistemas fora do equilíbrio.

Avanços na física dos plasmas dependem, essencialmente, do inter-relacionamento entre teoria e experimento. Experimentos em física básica são de vital importância para o avanço da física dos plasmas. Eles devem ser projetados para identificar um determinado fenômeno e explorar uma larga faixa de parâmetros envolvidos nestes fenômenos. A física dos plasmas teórica e computacional complementa a observação experimental.

Pesquisa com plasmas quiescentes no LAP

O desenvolvimento de fontes de plasmas quiescentes ("Q-machines"), durante os anos 60, tornou possível as primeiras verificações experimentais da teoria dos plasmas. Plasmas quiescentes ainda são amplamente usados na pesquisa básica de plasma conduzida em laboratório.

Plasma
Os plasmas quiescentes são frios e fracamente ionizados. O confinamento por cúspides magnéticas multipolares, produzidas por ímãs permanentes, reduz as perdas por colisões que ocorrem entre as partículas do plasma e as paredes da câmara de confinamento, aumentando a densidade de partículas nestas descargas luminescente

Experimentos realizados no LAP

Algumas das principais linhas de pesquisa abordadas pela física dos plasmas são:

1) interações partícula-onda e aquecimento de plasma;

2) dinâmica não-linear, caos, turbulência e transporte;

3) bainha de plasma e física da borda;

4) reconexão magnética e efeito dínamo;

5) plasmas não neutros e sistemas fortemente correlacionados.

As máquinas de plasma quiescente são particularmente apropriadas para estudar os primeiros três tópicos listados acima.

Os experimentos já realizados nas máquinas de plasma quiescente do LAP abordaram os seguintes tópicos:

1) propagação e amortecimento de ondas de Langmuir e ondas íon-acústicas em plasmas com várias espécies iônicas,

2) fenômenos de expansão da bainha de plasma; geração e propagação de ondas íon-acústicas solitárias,

3) formação e propriedades de sólitons em plasmas com íons negativos,

4) turbulência íon-acústica e formação de camada dupla,

5) interação feixe-plasma e turbulência de ondas de Langmuir.

Plasmas Naturais

Estima-se que mais de 99% do universo visível é constituído de plasma. Plasma domina todo o ambiente terrestre no sistema solar e, mais longinquamente, no espaço interestelar. De forma mais limitada, plasmas naturais surgem próximo da superfície da Terra.

Física espacial

A Física Espacial compreende o estudo do ambiente terrestre no espaço. É um meio dominado por diferentes tipos de plasmas conforme listados abaixo:

Vento solar

Designa o fluxo de partículas carregadas emitidas durante forte atividade solar. Quando estas partículas alcançam a magnetosfera (uma região onde a configuração das linhas de campo magnético da Terra permanece relativamente constante) elas são desaceleradas e defletidas, criando uma estrutura de onda de choque preenchida com plasma.

Ionosfera

Refere-se a um plasma fracamente ionizado pela radiação solar, que se estende de uma altitude de 50 km até 10 raios terrestres com densidade e temperatura variáveis (109 a 1012 partículas carregadas/m3 , 102 a 103 K).

Cinturões de radiação de Van Allen

Partículas de alta energia aprisionadas no campo magnético da Terra (descobertos por James Van Allen em 1958, a partir das primeiras observações da Terra feitas por satélite, os cinturões marcam o início da investigação moderna em física espacial).

Plasma

Plasmas naturais próximos à Terra

Perto da superfície terrestre a ocorrência de plasma é bastante limitada. De fato, a vida só pode existir em bem menos de 1% do universo onde plasmas não ocorrem naturalmente. Dois exemplos bem conhecidos de plasmas naturais nas proximidades da Terra são ilustrados abaixo.

Auroras

Luminescência visível resultante da excitação de átomos e moléculas da atmosfera, quando bombardeados por partículas carregadas expelidas do Sol e defletidas pelo campo geomagnético.

Plasma

Raios

Descargas elétricas de alta corrente (dezenas a centenas de kA) que ocorrem na atmosfera com uma extensão usual de alguns quilômetros. A fonte externa responsável pela geração dos raios está relacionada com a eletrodinâmica da atmosfera.

Plasma

Processos a Plasma

Em geral, processos a plasma envolvem reações físicas e químicas que ocorrem entre partículas e superfícies sólidas em contato com o plasma.

Alguns exemplos são: erosão por plasma, deposição de filmes finos, proteção de superfícies por tratamentos especiais, endurecimento de superfícies, e implantação iônica.

Desenvolvimento de tochas de plasma no LAP

Plasma
Uma tocha de plasma de baixa potência (3kW), ou jato de plasma em arco, foi desenvolvida no LAP para síntese de filmes de diamante. Esta tocha de plasma opera com misturas gasosas numa pressão total de aproximadamente 50 mbar, dentro da câmara de expansão, com correntes de até 14 A. O arco gira com freqüência angular na faixa de 35 a 50 rad/s quando um campo magnético externo de até 8 mT é aplicado na região dos eletrodos. Espera-se que esta rotação diminua a taxa de erosão do catodo quando a tocha opera em níveis elevados da taxa de deposição

Plasma
Pulso de alta tensão
O tratamento da superfície de materiais por implantação iônica pode ser feito pulsando-se o plasma repetidas vezes sobre uma amostra imersa no mesmo. A técnica 3IP permite a implantação de uma peça inteira a despeito de forma e tamanho. No dispositivo 3IP, desenvolvido no LAP, o plasma é gerado por microondas ou, com geração de menos impurezas, utilizando descargas luminescentes nas quais o potencial de plasma é controlado por um "chuveiro" de elétrons

 

Processos a plasma noutros laboratórios

Processos a plasma usam diferentes fontes de íons ou fontes de plasma produzidos por descargas luminescentes ou em arco contínuo, descargas de radiofreqüência (RF) capacitivas ou indutivas, e descargas de microondas. Tochas de plasma são usadas principalmente como fontes de energia térmica em processos como corte de chapas, soldas por arco, aspersão por plasma, fabricação de cerâmicas especiais, sinterização por plasma, e tratamento térmico. Elas também são utilizadas em processos termoquímicos como no tratamento de resíduos tóxicos, e na produção de fertilizantes a base de nitratos e de combustíveis sintéticos obtidos a partir do carvão e da biomassa.

Plasma

Fontes de elétrons de filamento quente e técnicas de microondas são usadas na deposição química a vapor para crescimento de diamante no Laboratório Associado de Sensores e Materiais do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais.

Plasma

Descargas de RF capacitiva e indutivamente acopladas são usadas para erosão de materiais visando aplicações em microeletrônica e micromecânica no Laboratório de Sistemas Integráveis da Universidade de São Paulo. Estas descargas são também utilizadas para processamentos a plasma de biomateriais no Departamento de Física e Química da Universidade do Estado de São Paulo em Guaratinguetá.

Plasma

Reatores a plasma que utilizam a ressonância ciclotrônica de elétrons estão sendo desenvolvidos no Instituto de Física da Universidade de São Paulo.

Nestes reatores o plasma criado na superfície ressonante:

É guiado ao longo das linhas de campo magnético até atingir a superfície alvo.

Superfície onde a freqüência ciclotrônica dos elétrons, sujeitos a um campo magnético externo, se iguala à freqüência da radiação de microondas injetada no sistema.

Plasma
Na tocha de plasma de arco não transferido, o gás de processo é aquecido quando passa através do arco desenvolvido entre o catodo e o anodo coaxiais. Na tocha de plasma produzido por radiofreqüência (RF) com acoplamento indutivo, o plasma é iniciado por uma descarga de alta tensão e mantido por energia de RF aplicada a uma bobina que envolve o plasma, formando um circuito tanque. Ambas as tochas de plasma são largamente utilizadas como fontes de plasma na indústria. Aplicações de plasmas térmicos estão sendo desenvolvidas no Instituto de Física da Universidade de São Paulo e no Instituto de Física da Universidade de Campinas

Separação de Isótopos

Centrífuga de plasma e seu desenvolvimento no LAP

Centrífugas de plasma são dispositivos projetados para enriquecer e separar isótopos. Na centrífuga desenvolvida no LAP, uma descarga em arco no vácuo produz uma coluna de plasma que gira sob ação de um campo magnético externo. Os isótopos mais pesados se concentram na parte mais externa da coluna resultando, desta forma, numa mistura enriquecida que pode ser extraída de forma seletiva, propiciando a separação de isótopos. As investigações teóricas e experimentais no LAP focalizam a caracterização, otimização e modelamento da descarga em arco em rotação.

Plasma
A centrífuga de plasma que utiliza uma descarga em arco no vácuo é propícia para o enriquecimento de isótopos com aplicação em medicina e ligas especiais. O componente radial da densidade de corrente j numa coluna de plasma aproximadamente cilíndrica interage com o campo magnético axial B. A coluna gira devido à força azimutal j × B, sem nenhuma limitação mecânica. Esta configuração também é adequada para aplicações em revestimento de superfícies e tratamento de materiais

Outros métodos de separação de isótopos que utilizam plasmas

1. No Calutron, originalmente usado para separação eletromagnética de isótopos, um feixe fino e longo de íons é produzido a partir de uma descarga em plasma confinado por meio de campos magnéticos e elétricos (descarga modificada de Penning).

2. No método de ressonância ciclotrônica um campo de radiofreqüência energiza seletivamente um dos isótopos ionizados de um plasma confinado magneticamente; isótopos são diferenciados e os mais energéticos são coletados.

3. No método de ionização seletiva induzida por laser um campo elétrico extrai os íons de um plasma fracamente ionizado e os guia até placas coletoras.

Plasma
Uma das maiores motivações para o desenvolvimento de métodos eficientes de separação de isótopos é a produção do urânio enriquecido utilizado em reatores nucleares. No processo de separação por ionização seletiva induzida por laser, os fotoíons de urânio 235 são extraídos por ação de um campo elétrico e coletados. O vapor remanescente, que consiste principalmente de átomos de urânio 238 não ionizados, passa através dos eletrodos e se condensa numa placa coletora de subprodutos

O método de separação por ionização seletiva induzida por laser é investigado no Instituto de Estudos Avançados do Centro Tecnológico Aeroespacial, em São José dos Campos, SP

Fontes de Microondas de Alta Potência

Fontes de microondas de alta potência devem satisfazer condições estritas para serem aplicadas nos mais diversos ramos de pesquisa, tais como, aquecimento de plasmas termonucleares, tratamento de materiais, processos químicos envolvendo plasmas, aplicações em radar e aceleração de partículas. A notável capacidade do girotron em produzir potências da ordem de megawatt, em freqüências de até 140 GHz, representa uma grande conquista tecnológica em aplicações de alta potência.

Desenvolvimento do girotron no LAP

O girotron é um gerador de microondas de alta potência em altas freqüências, que se baseia na interação entre um feixe oco de elétrons e um modo eletromagnético num ressoador aberto, onde o acoplamento onda-feixe é estabelecido pela condição de ressonância de ciclotron dos elétrons. A radiação é produzida na faixa de comprimentos de onda de alguns milímetros (30 - 300 GHz) pela transferência da energia cinética de rotação dos elétrons do feixe para o campo magnético na cavidade magnetizada.

Plasma

Como a freqüência de operação é determinada conjuntamente pela ressonância da cavidade e pelo movimento de ciclotron dos elétrons, o girotron pode operar em modos TE de ordem elevada com maior estabilidade e alta eficiência (~40%). Isso permite minimizar problemas decorrentes do aquecimento das paredes da cavidade e de interceptação do feixe de elétrons, em relação a outros geradores convencionais de microondas.

Um girotron de 32 GHz foi totalmente desenvolvido no Laboratório Associado de Plasma. A corrente total do feixe de elétrons em movimento helicoidal é 5 A e a tensão de aceleração é 45 kV. Em 1997 a eficiência na conversão de potência do feixe pulsado para potência de microonda atingiu 18% para o modo TE2,2 e 16% para o modo TE1,2.

Este girotron foi utilizado até recentemente visando à pesquisa da geração de microondas de alta potência, mas a ênfase desta linha de pesquisa está atualmente dirigida ao desenvolvimento de monotrons para experimentos de pré-ionização e aquecimento do plasma no tokamak esférico ETE, instalado no LAP.

Pesquisa em outras fontes de microondas no LAP

Plasma

Sem requerer um campo magnético externo, talvez o dispositivo de microondas de construção mais simples seja o monotron, que consiste numa cavidade cilíndrica em que as placas da extremidade formam um diodo no qual um feixe de elétrons retilíneo se propaga. Para tempos de trânsito de aproximadamente (N+1/4)T, onde N é um número inteiro e T é o período de oscilação do campo ressonante, ocorre a formação de agrupamentos de elétrons que atingem o anodo numa fase desaceleradora do campo de radiofreqüência, transferindo, desta forma, energia para a cavidade.

Propulsão Eletrostática

Propulsores eletrostáticos, também conhecidos como propulsores iônicos, possuem aplicação como sistemas de propulsão secundária para controle de atitude de satélites, e como sistemas de propulsão primária para colocação em órbita de veículos e sondas espaciais. Eles têm como principal vantagem a redução do consumo do combustível propelente e podem estender o tempo de vida dos satélites pelo controle do potencial eletrostático da espaçonave evitando, desta forma, processos de faiscamento interno.

Plasma

O plasma na câmara de descarga de um propulsor iônico é confinado por uma configuração de campo magnético guiante. Os íons pesados são extraídos da câmara de descarga e acelerados por uma grade eletrostática (1 - 10kV), atingindo um alto impulso específico. Um feixe de elétrons é também ejetado para neutralizar os íons acelerados.

Empuxo num foguete

Empuxo = (velocidade relativa da massa ejetada) × (taxa de consumo da massa de combustível)

Em propulsores convencionais a velocidade de escape é limitada pela velocidade de propagação da chama na reação química. Nos propulsores iônicos as partículas carregadas, aceleradas por lentes eletrostáticas, atingem velocidades de escape elevadas. Desta forma, o consumo reduzido da massa de combustível permite aumentar a carga útil numa determinada missão.

Desenvolvimento de propulsores iônicos no LAP

Plasma
Ilustração do propulsor iônico em desenvolvimento no LAP

Este micropropulsor deve ser testado em condições espaciais a bordo de um dos próximos satélites em planejamento pelo Instituto Nacional de Pesqusias Espaciais.

Aplicações Clássicas dos Plasmas

Eletrônica de plasma

Tubos a vácuo contendo gases ionizados e capazes de conduzir altas correntes são uma das primeiras aplicações de plasmas que reportam às pesquisas de Irving Langmuir and Levi Tonks nos anos 1920. A moderna indústria eletrônica utiliza plasma em retificadores de mercúrio, tiratrons de hidrogênio, ignitrons e chaves a arco para transmissão e controle de eletricidade.

Lâmpadas fluorescentes, fontes intensas de luz de plasma excitado por microondas e telas planas a plasma são ainda outras aplicações de descargas em gás.

Plasma
Tubo clássico de descarga elétrica com corrente contínua

Gerador magnetohidrodinâmico (MHD)

De acordo com a força de Lorentz, os íons positivos se movem para cima na figura ao lado e os elétrons se movem para baixo, gerando uma diferença de potencial entre os eletrodos.

Plasma

Comentário Histórico

Os princípios magneto-hidrodinâmicos (MHD) eram conhecidos desde os estudos de Michael Faraday a partir de 1830. Entretanto, as primeiras tentativas de construir um gerador MHD, em 1938, não tiveram sucesso devido ao escasso conhecimento que se tinha das propriedades dos plasmas. Em torno de 1959, a compreensão do assunto e a tecnologia progrediram a ponto de produzir-se 10 kW de potência elétrica num dispositivo MHD.

Uma central elétrica com geradores MHD, seguida de geradores convencionais a vapor, apresenta a possibilidade de usar combustíveis em ciclos mais eficientes, com perdas reduzidas de calor para o meio ambiente. Infelizmente, os grandes programas de pesquisa foram descontinuados por volta de 1970 em vista do elevado investimento necessário para solucionar os problemas técnicos que ainda persistiam.

Propulsor magnetoplasmadinâmico (MPD)

O efeito motor (o inverso do efeito dínamo) pode ser usado para acelerar o plasma na propulsão elétrica de veículos espaciais. Nesta aplicação, a energia elétrica é convertida em energia mecânica pela ação de campos elétricos e magnéticos perpendiculares.

Plasma
A densidade de corrente j é gerada no plasma pela tensão aplicada aos eletrodos

O plasma é ejetado com alta velocidade pela força j × B. A força de reação pode ser utilizada para acelerar um veículo no espaço.

Comentário Histórico

Robert Hutchings Goddard estabeleceu informalmente, em 1906, alguns dos conceitos da propulsão elétrica, e Hermann Oberth dedicou um capítulo de seu livro "Wege zur Raumschiffahrt" (1929) ao tema.

Avanços conceituais em propulsão elétrica foram feitos a partir de meados da década de 40, quando se vislumbrou a possibilidade de serem construídos geradores de energia elétrica espaciais de pouco peso, baseados em fissão nuclear e em painéis solares.

Entretanto, somente após 1957 experimentos reais de pequeno porte foram feitos em laboratórios governamentais e em algumas companhias independentes, principalmente nos EUA.

Na época, verificou-se que a propulsão elétrica não se limitava a propulsores eletrostáticos ou iônicos conforme se pensava até então, mas que podia ser estendida a sistemas eletromagnéticos e eletrotérmicos.

Os primeiros testes espaciais de um propulsor elétrico, envolvendo um motor iônico eletrostático, foram feitos em meados de 1964. Estes motores iônicos são hoje utilizados para controle de satélites e propulsão primária de sondas espaciais de longo alcance.

Por outro lado, propulsores magnetoplasmadinâmicos proporcionam uma combinação de altas velocidades de exaustão com fluxo de massa elevado, mas até o momento só foram testados em laboratório devido essencialmente às altas potências envolvidas e a problemas técnicos remanescentes.

A história da propulsão elétrica em seu início pode ser encontrada no livro "Ion Propulsion for Space Flight", de Ernst Stuhlinger (1964).

Fonte: www.plasma.inpe.br

Plasma

PLASMA: O QUARTO ESTADO DA MATÉRIA

É sabido que qualquer substância pode existir em três estados: sólido, líquido a gasoso, cujo exemplo clássico é a água que pode ser gelo, líquido a vapor.

Todavia há muito poucas substâncias que se encontram nestes estados, que se consideram indiscutíveis a difund idos, mesmo tomando o Universo no seu conjunto. É pouco provável que superem o que em química se considera como restos infinitamente pequenos. Toda a substância restante do universo subsiste no estado denominado plasma. O que é este esta estado?

Sabe- se que s egundo o grau de aquecimento, o movimento térmico dos átomos de qualquer corpo sólido adquiro um caráter cada vez mais enérgico, enquanto não comecem a enfraquecer a depois se rompam as ligações que determinam a estrutura da substância.

A primeira coisa a romper- se é a rede cristalina e o corpo sólido funde - se a converte - se em liquido. Depois debilitam - se as ligações entre as moléculas e a substância toma a forma de gás, volatiliza- se. A água líquida em geral já não pode existir a mais de 2000 'C, qualque r que seja a pressão. Por conseguinte, excluem -- se todos os tipos de reações químicas num meio aquoso. Aos quatro ou cinco mil graus rompem - se todas as ligações dentro das moléculas e a substância desintegra- se definitivamente nos átomos que formam os seus elementos. Por isso cessam todas as reações químicas correntes. E o que se passará se se aquecer um vaso com gás?

Plasma

Conforme vai aumentando a temperatura, o movimento dos átomos do gás torna- se cada vez mais enérgico, a os átomos cada vez com mais freqüência e cada vez com mais força chocam uns com os outros. Como resultado destes choques, começam a separar - se os elétrons situados nas órbitas mais exteriores, que são os mais debilmente ligados aos núcleos dos seus átomos. Dentro do gás como que aparece um segundo gás formado por estes elétrons cujo número aumenta ininterruptamente ao mesmo tempo em que se vão “ despindo ” os núcleos dos átomos. Depois deles chega a vez dos elétrons “ escondidos ” nas órbitas mais profundas e mais sólida s. Simultaneamente tornam- se mais freqüentes os choques, entre os íons , privados de toda ou de parte da sua defesa eletrônica.

O gás, no qual, sob a ação de uma temperatura extraordinariamente alta, teve lugar a divis ão da substância a que se com.põe de elétrons livres com uma velocidade vertiginosa, que chocam entre si a com as paredes do vaso, dos núcleos dos átomos completamente “ nus ” a os átomos que por casualidade ainda mantêm uma par te dos seus elétrons, formam o “ plasma ”. O plasma “ ideal ” com as pa rtículas atômicas completamente divididas, corresponde a uma temperatura de várias dezenas de milhões de graus. Em todos os lugares onde a matéria está extraordinariamente quente, ela encontrasse no estado plásmico.

Todavia o plasma não é apenas uma substâ ncia aquecida até temperaturas superaltas. É um estado físico completamente distinto que manifesta todo um conjunto de propriedades importantes e mesmo extraordinárias.

Por exemplo, o estado plásmico de uma substância gasosa pode surgir a temperaturas relativamente baixas em dependência da composição, estrutura a grau de rarefação do gás. A chama de uma vela, a luminescência da lâ mpada de luz fria, o arco elétrico, a descarga elétrica, o jato de fogo que sai da tubagem do motor de reação ou do foguete, o rasto que deixa o relâmpago, são numa enumeração muito incompleta, dos fenômenos com os quais o homem toma contato de uma forma direta ou indireta a em alguns casos utiliza para seu beneficio, deste quarto estado da matéria.

A maioria das pessoas e mesmo alguns cientistas não diferenciam alguns tipos de plasma, a de gás. Na realidade ouvimos falar com freqüência da atmosfera incandescente do sol a das estrelas, de fluxos de gases incandescentes, etc.

Na verdade o plasma é em alguns pontos muito parecido com o gás. Ambos são rarefeitos a fluidos. Toda via, ao nível dos átomos e das moléculas, a natureza das suas estruturas é completamente diferente, e isto explica precisamente a extraordinária variedade das suas propriedades e do seu comportamento, que diferencia o plasma de todos os outros estados da matéria..

No seu conjunto, o plasma é neutro, já que contém uma quantidade igual de partículas carregadas positiva e negativamente. Mas a interação destas cargas dá ao plasma uma grande variedade de propriedades diferentes das dos gases.

Em certas condições o plasma pode conduzir corrente elétrica melhor do que o cobre pode fluir como um líquido viscoso, intervir em reações com outras substâncias como a mais forte solução química. Além disso, é facilmente o rientável em campos elétricos e magnéticos.

A física do plasma tomou- se rapidamente num dos ramos mais destacados do progresso cientifico, em relação fundamentalmente com as investigações da reação termonuclear, obtida por agora apenas num clarão instant âneo de plasma aquecido até temperaturas de várias centenas de milhões de graus, durante a explosão da bomba de hidrogênio.

Fonte: www.fisica.net

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