Objectivos

Oferecer uma introdução à Física dos Plasmas de Baixa Temperatura (LTPs).

Permitir que os alunos adquiram um conhecimento abrangente sobre

- a produção de LTPs a partir de descargas em gases;

- as descrições cinética (microscópica) e fluido (macroscópica) de LTPs;

- a análise global de LTPs usando modelos de descarga, tendo em conta a sua reactividade.

O curso oferece uma apresentação detalhada da equação cinética de Boltzmann para os electrões, tal como é habitualmente utilizada em LTPs, incluindo o seu tratamento matemático e o estudo dos efeitos produzidos por diferentes tipos de campos e de colisões.

Pré-requisitos

Mecânica clássica (dinâmica das colisões), termodinâmica, física estatística, e cálculo diferencial e integral.

Tópicos a abordar

1. Plasmas de baixa temperatura (LTPs): definição e aplicações. Conceitos básicos: função de distribuição de partículas, secção eficaz de colisão, campo de carga de espaço, densidade de partículas, flux de deriva, fluxo de difusão. Estudo de LTPs: descrição cinética (microscópica) e descrição fluido (macroscópica).

2. Produção de LTPs a partir de descargas em gases: efeitos alfa e gama; lei de Paschen. Classificação das descargas em gases: descarga de Townsend; descarga luminescente. Bainhas de carga de espaço: critério de Bohm; região de queda catódica; lei de Child-Langmuir.

3. Descrição cinética (microscópica) de LTPs. Equação cinética de Boltzmann; a hipótese do caos molecular. O operador de colisão: colisões elásticas, inelásticas e superelásticas. A equação de Boltzmann electrónica para um gás de Lorentz: a aproximação das pequenas anisotropias; a fórmula de Chapman-Cowling. A função de distribuição de energia dos electrões; evolução para o equilíbrio; distribuições de Margenau e Druyvesteyn. Parâmetros de entrada. Balanço de potência. Efeitos produzidos por campos eléctricos DC e HF. Efeito de um campo magnético axial estacionário.

4. Difusão num campo Coulombiano. Secção eficaz de Rutherford. Equação de Fokker-Planck. Operador de colisão electrão-electrão na equação de Boltzmann electrónica.

5. Descrição fluido (macroscópica) de LTPs. Equações hidrodinâmicas. Regimes de difusão. Efeito da densidade electrónica: difusão livre e difusão ambipolar. Efeito da pressão: regime de queda livre. Coluna de plasma controlada por difusão: solução a valores próprios; condição de Schottky. 

6. Reactividade em LTPs. Colisões electrónicas; colisões entre espécies pesadas; coeficientes reaccionais a dois- e três-corpos; termos fonte. Estados metastáveis e estados radiativos. Equações de balanço de partículas e de energia. Modelos colisionais-radiativos. Acoplamento com a equação de Boltzmann electrónica. Modelos de descarga. Características de descarga e parâmetros de semelhança.