PLASMA IONOSFÉRICO

O presente artigo é sobre a pesquisa: ESTUDO DA PROPAGAÇÃO DE RÁDIO E DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NA REGIÃO DA ANOMALIA MAGNÉTICA DO ATLÂNTICO SUL - RADIOCIÊNCIA - CAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHO - Instituto de Aeronáutica e Espaço www.iae.cta.br - Convênio - 2002-2012- Plano Trabalho Progr Cientifico CRS UNIBEM.pdf - 121 KB Download CTA PLANO DE TRABALHO nov 2006.pdf - e113 KB Download - INSTITUTO DE FÍSICA ASTRONOMIA E CIÊNCIAS DO ESPAÇO - IFAE Publicado oficialmente nos seguintes endereços: 1 Biblioteca Central das FACULDADES INTEGRADAS ESPÍRITA; 2-Domínio Público MINISTÉRIO DE EDUCAÇÃO E CULTURA - MEC - http://www.dominiopublico.gov.br/ (c) 1987 - 2016 - Professor Ângelo Antônio Leithold - LEITHOLD, A. A.

PY5AALA partir de 1850, iniciou um repentino interesse entre os cientistas experimentadores sobre os fenômenos relativos às descargas elétricas de alta tensão em gases. Julius Plücker (1801 - 1868) estudou a espectrometria de gases rarefeitos. Desenvolveu métodos para estudo do desvio dos raios catódicos que passavam através de campos magnéticos, o que contribuiu para a descoberta do elétron. Num de seus inúmeros experimentos, descobriu que num tubo de vidro quase evacuado, se podia perceber uma luminescência cor de púrpura sobre as paredes, quando uma tensão muito alta era aplicada em dois eletrodos situados nos extremos do tubo. Johann Wilhelm Hittorf (1824 - 1914), estudou os fenômenos de propagação elétrica em tubos evacuados e descobriu uma qualidade dos raios catódicos, que em determinados momentos, seu espalhamento é linear, mesmo sem a presença de campo magnético, o que possibilitou mais tarde o ‘’foco’’ eletrônico por campo elétrico, utilizado em tubos de Raios-X, microscópios eletrônicos e em tubos de raios catódicos (CRT- cinescópios) de televisões e monitores de computadores. Eugene Goldstein (1850 - 1930) , em 1886, provocando descargas elétricas num tubo a pressão reduzida (10mm-Hg) e usando um cátodo perfurado, observou a formação de um feixe luminoso (chamados posteriormente de raios canais) no sentido oposto aos raios catódicos. Estes raios eram constituídos por partículas positivas e variavam em função do gás contido no tubo. Quando o gás era hidrogênio, obtinha-se de partículas de menor massa, as quais foram consideradas partículas fundamentais da matéria, com carga positiva, e denominadas posteriormente de prótons pelo seu descobridor, Ernest Rutherford (1871 – 1937). William Crookes (1832 - 1919), em 1861, descobriu uma linha de emissão verde luminosa num espectroscópio e nomeou como um novo elemento, o tálio ( do grego "thallós", "ramo verde"). Em 1895 identificou a primeira amostra conhecida de hélio. Inventou um instrumento chamado de radiômetro de Crookes. Ele também desenvolveu o tubo de Crookes, para investigar os ‘’raios de canal’’. Em suas pesquisas sobre condução de eletricidade em gases sob baixa pressão, descobriu que ao reduzir a pressão (Evacuar) um tubo de vidro provido de eletrodos, e utilizando um elétrodo em forma de cruz de malta que o brilho produzido foi causado pelo impacto de raios invisíveis sobre o vidro, e que os raios progrediam do elétrodo negativo para o elétrodo positivo. Tais raios foram denominados raios catódicos, e Crookes acreditava que eles constituíam em partículas de cargas elétricas negativas. Ao investigar as propriedades dos raios catódicos, descobriu que eles viajam em linha reta. Passou então a pesquisar a causa da fosforescência dos objetos atingidos pelo feixe. Acreditava ter descoberto um quarto estado da matéria chamado por ele de " matéria brilhante." Porém sua teoria da natureza da " matéria brilhante" estava equivocada.

Energia - A etimologia da palavra ''energia'' tem origem no idioma grego, onde ''ergos'' significa "trabalho". Em geral o conceito e uso da palavra energia se refere "ao potencial inato para executar trabalho ou realizar uma ação". O termo designa as reações ou ações de uma determinada condição de trabalho, como por exemplo o calor, trabalho mecânico (movimento), luz, irradiação de outros tipos de energia eletromagnética, RF, etc. Para o estudo da Ionosfera deve-se definir exatamente o que é energia , afinal é a irradiação da radiofreqüência (Ou seja energia irradiada) que atinge as altas camadas da ionosfera e retorna ao solo.

Matéria- O termo matéria provém do latim: ''materia'', que significa ''substância física''. Ou tudo que possui massa, ocupa espaço e está sujeito a inércia. Ainda, aquilo que forma tudo o que existe no Universo e que pode ser observado. A matéria é sempre constituída de partículas elementares com massa não-nula, ou átomos, e em escala menor, os prótons, nêutrons e elétrons. Modernamente a matéria é definida por alguns ''energia vibrando em baixa freqüência''.

Primeiros dispositivos eletrônicos:

PY5AALEm 1839, Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) desenvolveu um dispositivo fotovoltaico. Embora não reconhecido pela ciência, este dispositivo provavelmente foi o primeiro “componente eletrônico”. Passados alguns anos, Willoughby Smith (1828-1891) em 1861, descobriu uma propriedade física do Selênio, a Fotocondutividade. Esta descoberta passou despercebida pela Comunidade Científica Internacional, até Smith publicar um artigo intitulado: “Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current" no dia 20 de fevereiro de 1873 na “Issue of Nature”. Em 1878, Alexander Graham Bell (1847-1922) e Charles Sumner Tainter (1854 - 1940), criaram um aparelho chamado “fotofone”, utilizando uma célula fotovoltaica de selênio e uma lâmpada. Heinrich Rudolf Hertz (1857 - 1894), em 1887 observou o efeito fotoemissivo. Peter Guthrie Tait (1831 - 1901) em 1873 em Cambridge, numa conferência sobre termodinâmica, apresentou o resultado de suas experiências sobre termiônica e termo-emissão, descrevendo o efeito de descarga eletrônica que ocorria quando se aproximava uma esfera metálica aquecida, de um eletroscópio carregado. No mesmo ano Guthrie apresentou o primeiro esboço de um diagrama termelétrico na Royal Society of Edinburgh. Este foi o primeiro passo em direção da Válvula Eletrônica (Ou Válvula Termiônica).

PY5AALNo ano de 1880, Hans Friedrich Geitel (1855 –1923) e Julius Johann Phillipp Ludwig Elster (1854 –1920) executaram um experimento de termiônica ao encerrar um filamento metálico e uma placa metálica numa ampola de vidro evacuada (Formado vácuo). Ao ser excitado eletricamente o filamento, se observou que havia uma corrente elétrica fluindo do filamento para a placa através do vácuo, não detectaram que haviam descoberto o díodo termiônico. No mesmo ano (1880) Sir John Ambrose Fleming (1849 - 1945) fazendo um trabalho de pesquisa para Thomas Alva Edison (1847 - 1931) , sobre as causas do escurecimento prematuro dos envoltórios de vidro das lâmpadas fabricadas pela empresa de Edison, inseriu numa lâmpada, com a finalidade de reduzir ou eliminar o tal enegrecimento, uma placa metálica. Foi observado que na placa, ao receber uma tensão elétrica positiva em relação ao filamento, tinha em sí fluída uma corrente elétrica através do vácuo provinda do filamento. Seguindo a experiência, Fleming e Edison, inverteram a polaridade da placa. Ao fazê-lo, observaram que não passava nenhuma corrente entre a placa e o filamento. A experiência foi arquivada, pois não havia interesse econômico de Edison em investigar o fenômeno e suas causas. Mesmo assim, ao fenômeno foi dado o nome de Efeito Edison. Inconscientemente Fleming e Edison tinham inventado o díodo termiônico que somente foi reconhecido 20 anos depois.

PY5AALCrookes acreditava que os raios catódicos consistiam em fluxos de partículas de magnitude molecular ordinária. Em 1900, estudou os fenômenos da radioatividade, procedeu na separação do urânio de seu produto de transformação ativo, chamado de ‘’urânio-X’’ (depois chamado protactinium). Observou que "partículas - p", lançadas de substâncias radioativas, ao encontrar sulfito de zinco, cada impacto era acompanhado por uma cintilação minúscula, esta observação formou a base de um dos métodos mais úteis na técnica de radioatividade. Foi um dos primeiros cientistas a investigar o ‘’plasma’’ a partir de suas experiências com alta tensão em tubos evacuados.

PY5AALFicou para Joseph John Thomson (1856 - 1940) para descobrir a natureza subatômica dos raios catódicos e provar que aqueles raios consistem em fluxos de partículas negativamente eletrificadas, cuja massa é 1/1840 de um átomo de hidrogênio, chamados ''elétrons''. A partir da descoberta de Thomson, as experiências de muitos cientistas visaram descargas em gases para obter o brilho global máximo com propósitos de iluminação. A atual lâmpada fluorescente, inclusive as lâmpadas PL, são o resultado das pesquisas daquela época.

PY5AALAo avançar as pesquisas com raios catódicos, não tardou em se desenvolver outros dispositivos. Foi Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) quem descobriu e batizou os Raios X, além de fazer a primeira radiografia da história. Isto ocorreu quando Röntgen estudava o fenômeno da luminescência produzida por raios catódicos num tubo de Crookes. Este dispositivo, foi envolvido por uma caixa de papelão negro e guardado numa câmara escura. Próximo à caixa, havia um pedaço de papel recoberto de platinocianeto de bário. Röntgen percebeu que, ao fornecer corrente elétrica aos elétrodos do tubo, este, emitia uma radiação que velava a chapa fotográfica. Intrigado, resolveu intercalar entre o dispositivo e o papel fotográfico, corpos opacos à luz visível. PY5AALDesta forma obteve provas de que vários materiais opacos à luz diminuíam, mas não eliminavam a emissão desta estranha irradiação induzida pelo raio de luz invisível, então desconhecido. Isso indicava que a energia atravessava facilmente os objetos, e se comportava como a luz visível. Após exaustivas experiências com objetos inanimados, Röntgen resolveu pedir para sua esposa pôr a mão entre o dispositivo e o papel fotográfico. A foto revelou a estrutura interna da mão humana, com todas as suas formações ósseas, foi a primeira chapa de raios X, nome dado pelo cientista à sua descoberta em 8 de novembro de 1895. Como toda energia eletromagnética de natureza ondulatória, os raios X sofrem interferência, polarização, refração, difração, reflexão, entre outros efeitos. Embora de comprimento de onda muito maior, sua natureza eletromagnética é idêntica à da luz.

Íons.

PY5AALMichael Faraday (1791 - 1867) em 1830, pela primeira vez teorizou os íons para descrever as porções de moléculas que se deslocavam, quer na direção de um ânodo ou na direção de um cátodo. O mecanismo através do qual o fenômeno se processa só foi descrito em 1884 por Svante August Arrhenius (1859 – 1927), quando postulou que, para átomos isolados num vácuo, a energia necessária para remover elétrons é chamada energia de ionização, ou potencial de ionização. Os elétrons de átomos mais leves são atraídos mais fortemente para o núcleo, e portanto a energia de ionização é mais elevada. PY5AALEm átomos maiores, os elétrons são atraídos mais fracamente, portanto a energia de ionização é mais baixa. A primeira energia de ionização é a necessária para remover um elétron, a segunda dois, e assim sucessivamente. Por esta razão, os íons tendem a formar-se de maneiras distintas. Por exemplo, é mais comum se encontrar Sódio na forma Na+, do que na forma Na2+ devida grande quantidade de energia de ionização que seria necessária. Do mesmo modo, o magnésio encontra-se mais facilmente como Mg2+, do que Mg3+, e o alumínio pode existir como um cátion Al3+. Quando se ioniza um gás interior de uma lâmpada fluorescente, por exemplo, temos a formação de plasma.

Plasma

PY5AALO termo plasma, foi utilizado pela primeira vez em física por Irving Langmuir (1881 - 1957) no ano de 1928, quando estudava descargas elétricas em gases. Imaginemos a lâmpada acima, ao aplicarmos uma tensão elétrica e uma componente de alta freqüência nos eletrodos em seus extremos, o gás em seu interior será excitado e perderá elétrons. Assim teremos a formação de íons e liberação de elétrons que estarão se deslocando livremente entre as moléculas de gás, e tendendo a se dirigir ao eletrodo que naquele momento estará com a polaridade positiva, o ânodo. Ao mesmo tempo, os átomos que perderam elétrons, que são íons positivos (Cátions), se dirigirão para o eletrodo negativo, o cátodo. Ao atingi-lo, os cátions recuperarão o elétron perdido, neutralizando-se, mas ao mesmo tempo, liberarão mais elétrons livres que acabarão por excitar mais átomos. Assim ocorrerá a formação de mais pares elétrons e íons. Ocorre que, no outro extremo do tubo, ao mesmo tempo, elétrons estão incidindo no ânodo, e átomos estão tendo elétrons retirados de si, ocorrendo assim a formação de mais íons. E, conseqüentemente há mais liberação de elétrons secundários, e, portanto, mais ionização. O ânodo, porém, é positivo e atrairá a maior quantidade de elétrons livres. Portanto, existirá uma corrente eletrônica dentro do tubo e também uma corrente iônica, pois o gás que perdeu os elétrons terá uma polaridade positiva, e portanto se deslocará em sentido ao elétrodo negativo. As condições dentro do tubo neste momento, serão de uma corrente iônica de elétrons livres e íons positivos denominada ‘’plasma’’. A troca movimentação iônica e a conseqüente movimentação eletrônica nas orbitais mais externas do gás, devidas seguidas recombinações de elétrons livres/íons, tem como resultado do balanço energético, a liberação de energia em forma de fótons. No caso de lâmpadas fluorescentes comuns, o comprimento de onda é o Ultravioleta. Considera-se plasma o estado da matéria no interior do Sol (Também é considerado o 4º estado da matéria); que consiste basicamente numa mistura de elétrons livres e íons. Isso ocorre devidas condições de temperatura e pressão tão extremas que literalmente ‘’arrancam’’ os elétrons dos átomos, transformando-os em íons positivos.

Produção de plasma

PY5AALO plasma é ótimo condutor elétrico, uma vez que possui grande quantidade de elétrons livres, apresenta-se como ótimo condutor de calor, 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 as auroras boreal e austral.

PY5AALPara produzir plasma existem diversos métodos, o da lâmpada fluorescente é o mais fácil de se conseguir, existem outros métodos, porém. Imaginemos um corpo sólido, ao adicionar calor, este se tornará, a partir de uma certa temperatura, líquido, ao aquecermos o líquido resultante mais ainda, teremos um gás, e, se este gás for submetido a temperaturas mais altas ainda, obteremos o plasma. Uma vez que está em altíssima temperatura, a agitação de seus átomos é tão grande que as colisões entre partículas é muito comum, não podendo mais o átomo ser mantido coeso, a força nuclear forte não é mais capaz de manter o núcleo atômico estável e nem existem combinações entre os elétrons livres, então também não temos a atuação da força nuclear fraca.

PY5AALNa Terra, a formação de plasma só ocorre em condições especiais. Devida força gravitacional fraca, não é possível mantê-lo confinado por longos períodos. Na ionosfera, quando ocorrem as Auroras Boreal, e Austral, o que vemos, é a manifestação de um plasma natural gerado por fenômenos eletrogeomagnetosféricos.Na alta atmosfera terrestre, existem gases submetidos não a tão altas temperaturas, nem a altas pressões, porém, existe o ‘’plasma ionosférico’’. Este ocorre pela existência de elétrons livres e íons livres na alta atmosfera e, excitado pela energia de Raios-X e luz Ultravioleta provinda do Sol, emite uma fluorescência que é visível da superfície do Planeta. É a Ionosfera, portanto, o plasma ionosférico e toda a sua dinâmica que é o objeto deste estudo.