O que é Plasma; o modelo do elétron livre? — Física

Definição 14.1 Física universitária — 2.º ano · Capítulo 14 — Ondas eletromagnéticas em plasmas, condutores e dielétricos

Um plasma é um gás globalmente neutro de elétrons livres (densidade $n$ , massa $m$ , carga $-e$ ) e de íons positivos que, sendo milhares de vezes mais pesados, são tomados como fixos. A alta atmosfera (ionosfera, $n \sim 10^{11}$ – $10^{12}$ m $^{-3}$ ), um tubo de descarga, a coroa solar e — em frequências ópticas — os elétrons de condução de um metal são plasmas. As colisões são desprezadas (o período da onda é curto comparado com o tempo entre colisões). Sua frequência característica é a frequência de plasma

\omega_p = \sqrt{\frac{ne^2}{\varepsilon_0m}} , \qquad f_p = \frac{\omega_p}{2\pi} \approx 9\,\text{Hz}\times\sqrt{n\,[\text{m}^{-3}]} :

de $3\,\mathrm{MHz}$ a $9\,\mathrm{MHz}$ para a ionosfera, e $2 \times 10^{15}\,\mathrm{Hz}$ (ultravioleta) para um metal.

À esquerda: a relação de dispersão de um plasma — nenhuma propagação abaixo de _p, e uma hipérbole que se aproxima da reta da luz acima. À direita: as ondas curtas abaixo da frequência de plasma são refletidas pela ionosfera e saltam em torno da Terra; frequências maiores escapam para o espaço. — À esquerda: a relação de dispersão de um plasma — nenhuma propagação abaixo de $\omega_p$ , e uma hipérbole que se aproxima da reta da luz acima. À direita: as ondas curtas abaixo da frequência de plasma são refletidas pela ionosfera e saltam em torno da Terra; frequências maiores escapam para o espaço.

Exemplos

Exemplo 14.4 (A ionosfera e o rádio)

Com $n = 1 \times 10^{12}\,\mathrm{m}^{-3}$ na camada F, $f_p = 9\,\mathrm{MHz}$ : as transmissões em ondas curtas abaixo disso são refletidas (e podem saltar em torno da Terra entre a ionosfera e o solo), ao passo que o FM ( $100\,\mathrm{MHz}$ ), a televisão e os enlaces de satélite atravessam. Uma onda de $3\,\mathrm{MHz}$ penetra apenas $1/\kappa = c/\sqrt{\omega_p^2 - \omega^2} = 6\,\mathrm{m}$ na camada antes de retornar. Uma nave que reentra na atmosfera fica envolvida num plasma de $n \sim 10^{18}$ m $^{-3}$ , $f_p \sim 10\,\mathrm{GHz}$ : o contato de rádio se perde por minutos.

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