O que é um plasma?

O que é um plasma?

   Sabe-se bem que todos os gases à temperatura ambiente estão constituidos por moléculas ou átomos, i.e., por partículas electricamente neutras. Vamos considerar uma colisão entre duas partículas de algum gás. Se a energia cinética do movimento relativo das partículasé maior do que a energia de ionização, T>Eion, pode acontecer que uma das partículas fica ionizada depois da colisão:

A+A® A+A++e.                     (1)

   Dessa maneira, pode acontecer que no nosso gás estejam presentes não apenas moléculas ou átomos (ou seja, partículas neutras), mas também iões e electrões, ou seja, partículas carregadas. Qual é a quantidade das partículas carregadas, depende do número de colisões com T>Eion, e este número depende da quantidade de partículas rápidas.
    À temperatura ambiente, partículas rápidas são muito raras, portanto o número das colisões (1) está extremamente pequeno. É por isso mesmo que todos os gases à temperatura ambiente estão constituidos apenas por moléculas ou átomos e iões e electrões estão praticamente ausentes. Por exemplo, o ar nesta sala é constituído pelas moléculas N2 e O2, iões e electrões não há. Quanto maior é a temperatura, tanto maior é o número de partículas rápidas, tanto maior é o número de colisões com ionização, e tanto maior é o número de partículas carregadas.
Exemplo: Ar, 1 atm

T (K)
500
1000
5000
10000
20000
30000
w
0.19x10-78
0.23x1038
0.96x10-06
0.021
0.99
1.9
x+
1
1
1
1
0.99
0.15
x++
0
0.89x10-99
0.26x10-18
0.57x10-08
0.012
0.84
x+++
0
0
0.13x10-50
0.24x10-23
0.22x10-07
0.0085

Aqui w é grau de ionização, definido como

w=ne / (ni+na) .

   É claro que às temperaturas elevadas átomos podem perder não apenas um electrão, mas 2, 3, etc., em dependência da temperatura. Na fórmula anterior, ni significa a densidade de todos os iões: ni=n++n+++... e x significam fracções dos iões simplesmente, duplamente, e triplamente ionizados:

x+=n+/ni,   x++=n++/ni,    x+++=n+++/ni.

   Vemos que a presença dos iões duplamente ionizados é essencial, iões triplamente ionizados são poucos neste ramo de temperatura.
    Um gás ionizado com um grau de ionização não muito baixo chama-se o plasma. O que significa ''não muito baixo'', a gente vai definir mais tarde.
    Ionização pode acontecer não apenas nas colisões entre partículas neutras, como (1), mas também nas colisões de uma partícula neutra com um electrão:

A+e ® A++e+e.                      (2)

   Um electrão é muito mais eficaz para a ionização do que uma partícula neutra. (I.e., para as energias iguais e superiores a Eion, a probabilidade de ionização pelo impacto de um electrão muito maior.) Por isso, o mecanismo de ionização é usualmente o seguinte: os electrões iniciais são produzidos através da reacção (1). Depois cada um deles cria mais um através da reacção (2) e o número de electrões duplica-se. No passo a seguir, o número de electrões duplica-se mais uma vez, e assim por diante. Este mecanismo chama-se de avalancha.

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Como é que se cria um plasma?

   Portanto, um dos caminhos de criar um plasma é aquecer um gás. Tal aquecimento pode-se realizar por meio de um campo eléctrico externo aplicado ao gás. Exemplo: uma lâmpada. Produção de calor é através do aquecimento de Joule: P=jE. Como a corrente é produzida pelos movimentos de iões e de electrões, j=ji+ je Þ P= jiE+ jeE. Os electrões são muito mais leves do que os iões, me « mi, então |je| » |ji| e P» jeE. Por outras palavras, a energia é fornecida pelo campo eléctrico principalmente aos electrões. Os electrões transferem uma parte desta energia às partículas pesadas, i.e., átomos e iões. O mecanismo da transferência é através das colisões. Mas a troca de energia numa colisão é pouca, devido a desigualdade me « mi. Duas possibilidades:

    • a pressão é alta, colisões entre electrões e partículas pesadas são muitas, a temperatura dos electrões é aproximadamente igual à das partículas pesadas: Te»Tpesadas;
    • a pressão é baixa, Te>Tpesadas.

   O plasma criado através da primeira maneira chama-se o plasma térmico. Todas as partículas neste plasma estão em equilíbrio térmico: Te »Ti »Tneutr. Em muitos casos, este plasma está também em equilíbrio químico: todas as reacções estão em equilíbrio, em particular a reacção de ionização (2) está equilibrada pela reacção inversa (de recombinação)

A++2e® A+e.

   Exemplo: plasma em lâmpadas (de cor de laranja) de iluminação de ruas.
    Aparelhos para geração do plasma térmico chamam-se aquecedores de arco (tochas de arco, ou plasmatrões). Usam-se para o processamento de materiais, metalurgia, processos químicos, tratamento de detritos perigosos etc.
    O plasma criado através da primeira maneira é de não-equilíbrio. Neste plasma os electrões estão quentes e partículas pesadas (átomos, moléculas e iões) estão frios. Exemplo: plasma em lâmpadas luminescentes.
    Ionização pode ser produzida não apenas em colisões entre partículas do plasma, mas também por uma radiação externa (externa = de fora do gás). Por exemplo, cada centímetro cúbico do ar nesta sala contém aproximadamente 10 iões, produzidos por raios cósmicos. É pouco, não se pode falar do plasma. Mas se a radiação for mais forte (por exemplo, raios X da alta intensidade, ou uma radiação de um reactor nuclear), um plasma pode ser produzido. Tal plasma também é de não-equilíbrio. Exemplo: lazeres excitados por uma radiação de um reactor nuclear.

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Classificação dos plasmas

   Como os tipos dos plasmas são numerosos e diversos, é difícil sugerir uma classificação universal. Uma classificação grosseira é a seguinte:

   Reparem que o termo ''plasmas de baixa temperatura'' não se deve entender literalmente: por exemplo, um plasma térmico de temperatura de 20000 K produzido por uma tocha de arco pertence à classe dos plasmas de baixa temperatura. Trata-se de uma temperatura baixa apenas em comparação com a do plasma de fusão nuclear, que é de ordem de cem milhões de graus!

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Exemplos de plasma

   A maioria absoluta da matéria em Universo é constituída pelo plasma. Em particular, todas as estrelas são constituídas pelo plasma muito densa e quente. Outros exemplos do plasma cósmico: a magneto-esfera da Terra é constituída pelo plasma, a parte externa da atmosfera da Terra é constituída pelo plasma, o meio entre-estrelar, ou seja o espaço entre estrelas e planetas, também é constituído pelo gás ionizado, mesmo que de uma densidade muito baixa. Mais um exemplo de plasma cósmico: vento solar.
    Mais um exemplo de plasma em natureza: plasma do relâmpago. À propósito, a questão do plasma de relâmpago é muito interessante cientificamente; em particular, a natureza do relâmpago de bola não é esclarecida até agora, apesar de muitos anos de investigação.
    As questões da física do plasma são centrais em fusão nuclear, o que é um dos problemas primordiais da ciência de hoje.
    O plasma tem aplicações muito numerosas em ciência e tecnologia moderna, inclusivamente alta tecnologia. Por exemplo, um dos aparelhos em que se usa o plasma fica nesta sala - é a lâmpada luminescente. Nela, o plasma é de não equilíbrio. O mecanismo de produção da luz é o seguinte: os electrões excitam partículas neutras, as quais depois passam a ser de-excitadas emitindo um fogão.
    O mesmo é o mecanismo de produção da luz nas lâmpadas de alta intensidade (lâmpadas de arco), em particular aquelas que se usam para iluminar as ruas. Ao contrário às lâmpadas luminescentes, as de alta potência contêm o plasma de equilíbrio. Hoje em dia, lâmpadas de descarga de alta intensidade são cada vez mais utilizadas para a iluminação doméstica. Prevê-se que daqui a uma década podem totalmente desalojar as lâmpadas incandescentes.
   

   Processamento de superfícies: os iões do plasma colidem com a superfície do cátodo e ficam implantados. (Semelhança: os iões positivos vão ao cátodo também nos electrólitos, mas no plasma o campo eléctrico é muito maior, especialmente na vizinhança da superfície do cátodo.) Este é o método principal de produção de semicondutores. É uma aplicação do plasma de importância elevadíssima: o mercado em 1999 foi de 155 mil milhões de dólares EUA. É um facto espanador que o número de transístores num chip de silicono de tamanho da unha de polegar duplica de 18 em 18 meses desde que o circuito integral foi inventado em 1959, e esta tendência vai continuar durante mais algumas décadas. Deve-se, em 1o lugar, à diminuição de tamanhos de transístores. Espera-se que daqui a 25 anos a potência de um só chip será igual a potência total de todos os computadores da Silicon Valley de hoje. Uma analogia: se progressos semelhantes tivessem lugar na área de produção de carros, então daqui a 25 anos os carros:

  • andariam a 4 milhões de quilómetros por hora;
  • consumiriam 1 litro de gasolina para um milhão de quilómetros;
  • seria mais barato atirar um carro para lixo do que pagar o estacionamento;
  • Tamanhos de um carro médio seriam 1,8 cm por 4 cm.

   Infelizmente, até agora a compreensão do plasma nestes processos é insuficiente. Uma consequência: 25% de problemas de produção de semicondutores são relacionados ao plasma.
    Outro exemplo: a descarga de magnetrão, em que um plasma de uma densidade baixa está sujeito ao campo electromagnético, usa-se para produzir espelhos e para-choques de carros. A ideia: iões de um metal são acelerados até uma energia alta e são implantados na superfície de um plástico. O plasma de descarga de magnetrão é de não equilíbrio também.
    Mais um exemplo de utilização tecnológica do plasma de não equilíbrio: precipitados electrostáticos para limpar um ar poluído por um pó. O plasma é produzido no ar de pressão atmosférica pelo campo eléctrico extremamente forte produzido por uma voltagem de dezenas de kilovolts aplicada a um condutor de um raio pequeno. É assim chamada descarga de coroa. Partículas do pó capturam iões do plasma e ficam por isso carregadas e sujeitas à acção do campo eléctrico, que move-as para placas de colecção.
    Mais um exemplo de utilização tecnológica do plasma: interruptores de alta potência.
Metalurgia: Um terço do todo o accoreciclável no mundo é produzido por meio de descarga eléctrica de arco, i.e., por meio do plasma.
    Processos químicos, tratamento de detritos perigosos etc. Outro exemplo de utilização tecnológica do plasma térmico: soldadura por arco.
   

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Física dos plasmas e seu lugar na física

   Qual é uma característica mais importante que distingue um plasma de um gás não ionizado? É um facto do plasma ser um condutor de electricidade. Por isso, um plasma pode interagir com campos eléctricos e magnéticos, o que abre a porta a uma multidão de fenómenos novos muito interessantes. Neste sentido, a física dos plasmas é mais rica do que a física dos líquidos e gases não ionizados. A física dos plasmas contribuiu muitos exemplos para a teoria dos fenómenos não-lineares.
    A história da física da descarga de gás (o que é uma parte da física dos plasmas de baixa temperatura) dos últimos anos no século 19 e no início do século 20 é inseparável da história da física atómica. Uma quantia muito grande de informação sobre processos elementares que envolvem iões, electrões, átomos e fotões foi obtida por estudar fenómenos em descarga de gás. A física dos plasmas é uma ciência multidiciplinar. Um professor formado nesta área pode leccionar todas as cadeiras de física e até algumas da matemática e da química!

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Há muita informação sobre plasmas em Web. Aqui tem duas referências de carácter geral:
   

Guia de professor à Ciência dos Plasmas (Coalition for Plasma Science)

Plasma - o quarto Estado da Matéria (Laboratório de Física dos Plasmas da Universidade de Princeton, EUA)