Plasma

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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA Comando-Geral de Tecnologia Aeroespacial

DESCARGAS ELÉTRICAS E PLASMAS I

Prof. Dr. Homero Santiago Maciel Julio César Sagás

Campo Montenegro São José dos Campos 2010

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1. INTRODUÇÃO

O estudo de descargas elétricas e plasmas é uma das áreas mais abrangentes da ciência, tanto na pesquisa fundamental quanto na ciência aplicada. Mas antes deiniciarmos o estudo propriamente dito desta área, algumas palavras precisam ser ditas sobre definições básicas (a serem mais elaboradas durante o curso) e sobre a história que nos trouxe ao atual estado da arte da ciência de plasmas.

1.1 Descargas elétricas e plasmas

Antes de tudo, o termo descarga elétrica se refere simplesmente à passagem de corrente elétrica por um meio. Trataremos, daqui emdiante, especificamente da descarga elétrica em gases, que pode então ser definida como a passagem de corrente elétrica por um gás, causando ou não ionização do meio durante sua passagem. Já a definição de plasma é um tanto mais sofisticada. É muito comum encontrar referências ao plasma como o “quarto estado da matéria”. Assim, como a transferência de energia para um sólido o leva para o estadolíquido e à transferência de energia para o líquido o leva ao estado gasoso, diz-se que a transferência de energia para um meio gasoso (por aquecimento ou por campo elétrico) o levaria ao estado de plasma. Embora esta definição se baseie nas diferentes propriedades do plasma em relação ao três estados da matéria (possui interação mais forte que um gás, mas é tão denso quanto), há de se analisar estadefinição pelo ponto de vista termodinâmico. A toda mudança de estado está relacionado um calor latente ou “calor de transformação” e, principalmente, a composição química se mantém inalterada durante o processo. Durante a transição gás-plasma, ocorre a ionização do gás, levando a uma mudança de composição química, tanto pela dissociação de moléculas (no caso de gases moleculares) e à formação deíons e espécies excitadas (quimicamente diferentes da espécie neutra), além da geração de uma população de elétrons livres. Portanto, usaremos a definição de plasma como um gás parcialmente ou totalmente ionizado, com igual número de partículas carregadas positivamente e negativamente, sendo macroscopicamente neutro.

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Figura 1.1 – Transições de estado do sólido ao gasoso. Retirado dehttp://www.michelena.com.br/imagens/calor_temperatura.jpg

Plasmas podem ser descritos como um gás composto de partículas carregadas livres (elétrons, íons positivos e negativos) e partículas neutras (átomos, moléculas e radicais no estado fundamental e/ou excitado). Outras espécies como aglomerados, monômeros e cadeias de macromoléculas também podem estar presentes sob certas condições.

Figura1.2 – Exemplos de plasmas encontrados na natureza.

O termo plasma, portanto, agrupa uma série de fenômenos com características diversas. Desde os relâmpagos observados cotidianamente passando pelos fenômenos das auroras nos pólos terrestres até as

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estrelas, o que implica que mais de 99% da matéria do universo se encontra na forma de plasma, sem contar a matéria escura (se existir). Umimportante parâmetro no estudo de plasmas é o seu grau de ionização (a razão entre a quantidade de partículas carregadas e de partículas neutras), indo de 100% (gases totalmente ionizados) até valores da ordem de 10-4-10-6. Plasmas totalmente ionizados são classificados como “plasmas quentes” englobando aqueles observados em estrelas e reatores de fusão nuclear. Logo, o restante é classificado como“plasmas frios”, correspondente aos plasmas utilizados em processos de materiais, tratamento de gases e as descargas atmosféricas como os relâmpagos, sendo formados majoritariamente por partículas neutras. Uma importante classificação de plasmas frios é a distinção entre plasmas térmicos e plasmas nãotérmicos, ou mais especificamente, entre plasmas em equilíbrio termodinâmico e plasmas fora do...
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