O que é um plasma?
Sabe-se bem que todos os gases à temperatura ambiente são constituídos por moléculas ou átomos, i.e., por partículas eletricamente neutras. Vamos considerar uma colisão entre duas partículas de algum gás. Se a energia cinética do movimento relativo das partículas é maior do que a energia de ionização, Ecin>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 eletrões, ou seja, partículas carregadas. A quantidade de partículas carregadas, depende do número de colisões com Ecin>Eion, e este número depende da quantidade de partículas rápidas.
À temperatura ambiente, partículas rápidas são muito raras, portanto o número de colisões (1) é extremamente pequeno. É por isso mesmo que todos os gases à temperatura ambiente são constituídos apenas por moléculas ou átomos e iões e eletrões estão praticamente ausentes. Por exemplo, o ar numa sala é constituído por moléculas N2 e O2, iões e eletrões não existem.
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
Aqui ω é o grau de ionização, definido como
É claro que às temperaturas elevadas átomos podem perder não apenas um eletrão, mas 2, 3, etc., dependendo da temperatura. Na fórmula anterior, ni significa a densidade de todos os iões: ni=n++n+++… e x significam frações dos iões simplesmente, duplamente, e triplamente ionizados:
Vemos que a presença dos iões duplamente ionizados é essencial, iões triplamente ionizados são poucos nesta gama de temperatura.
Um gás ionizado com um grau de ionização não muito baixo chama-se plasma. O que significa ”não muito baixo”, vamos definir mais à frente.
Ionização pode acontecer não apenas nas colisões entre partículas neutras, como (1), mas também nas colisões de uma partícula neutra com um eletrão:
A + e → A+ + e + e. (2)
Um eletrão é muito mais eficaz na ionização do que uma partícula neutra. (i.e., para energias iguais e superiores a Eion, a probabilidade de ionização pelo impacto de um eletrão é muito maior.) Por isso, o mecanismo de ionização é usualmente o seguinte: os eletrões iniciais são produzidos através da reação (1). Depois cada um deles cria mais um através da reação (2) e o número de eletrões duplica-se. No passo a seguir, o número de eletrões duplica-se mais uma vez, e assim por diante. Este mecanismo chama-se de avalanche
Como é que se cria um plasma?
Portanto, um dos caminhos para criar um plasma é aquecer um gás. Por exemplo, as chamas nos nossos fogões representam um plasma. Mas uma maneira mais comum de criar um plasma é aquecer o gás por meio de um campo elétrico externo aplicado ao gás. Exemplo: uma lâmpada. Produção de calor é através do aquecimento de Joule: P = j⋅E. Como a corrente é produzida pelos movimentos de iões e de eletrões, j = ji+ je => P = ji⋅E+ je⋅E. Os eletrões 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 elétrico principalmente aos eletrões. Os eletrões 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 pequena, devido à desigualdade me ≪ mi. Duas possibilidades:
- a pressão é alta, colisões entre eletrões e partículas pesadas são muitas, a temperatura dos eletrões 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 reações estão em equilíbrio, em particular a reação de ionização (2) está equilibrada pela reação inversa (de recombinação)
A+ + 2e → A + e.
Exemplo: plasma em lâmpadas (de cor de laranja) de iluminação de ruas.
Aparelhos para geração de 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 eletrões estão quentes e as 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 numa sala de aula média (40 alunos) contém aproximadamente 10 iões, produzidos por raios cósmicos. É pouco, não se pode falar de plasma. Mas se a radiação for mais forte (por exemplo, raios X de alta intensidade, ou uma radiação de um reator nuclear), um plasma pode ser produzido. Tal plasma também é de não-equilíbrio. Exemplo: lasers excitados por uma radiação de um reator nuclear.
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!
Exemplos de plasma
Plasmas na natureza
A maioria absoluta da matéria no Universo é constituída por plasma. Em particular, todas as estrelas são constituídas por plasma muito denso e quente. Outros exemplos de plasma cósmico: a magneto-esfera da Terra é constituída por plasma, a parte externa da atmosfera da Terra é constituída por plasma, o meio interstelar, ou seja o espaço entre estrelas e planetas, também é constituído por gás ionizado, mesmo que de uma densidade muito baixa. Mais um exemplo de plasma cósmico: vento solar.
Mais um exemplo de plasma na natureza: plasma de relâmpago. A 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.
Plasmas de fusão nuclear (de alta temperatura)
As questões da física dos plasmas são centrais na fusão nuclear, que é um dos problemas primordiais da ciência de hoje.
Plasmas de baixa temperatura
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 eletrões excitam partículas neutras, as quais depois passam a ser não excitadas emitindo um fotão.
O mesmo é o mecanismo de produção de luz nas lâmpadas de descarga de alta intensidade (lâmpadas de arco), em particular aquelas que se usam para iluminar as ruas. Ao contrário das lâmpadas luminescentes, as de alta potência contêm plasma de equilíbrio.
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 eletrólitos, mas no plasma o campo elétrico é muito maior, especialmente na vizinhança da superfície do cátodo.) Este é o método principal de produção de semicondutores. É uma aplicação de plasmas de importância elevadíssima: o mercado em 1999 foi de 155 mil milhões de dólares EUA. É um facto espantoso que o número de transístores num chip de silício do tamanho da unha de um polegar duplique 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 do tamanho dos transístores. Espera-se que daqui a 25 anos a potência de um só chip seja igual à potência total de todos os computadores de 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 por cada 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 com o plasma.
Outro exemplo de utilização de plasmas para processamento de superfícies: a descarga de magnetrão, em que um plasma de uma densidade baixa está sujeito ao campo eletromagnético, usa-se para produzir espelhos e pára-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: precipitadores eletrostáticos para limpar um ar poluído por um pó. O plasma é produzido no ar de pressão atmosférica pelo campo elétrico extremamente forte produzido por uma voltagem de dezenas de quilovolts aplicada a um condutor de um raio pequeno. É a chamada descarga de coroa. Partículas do pó capturam iões do plasma e ficam por isso carregadas e sujeitas à ação do campo elétrico, que as move para placas de coleção.
Mais um exemplo de utilização tecnológica do plasma: interruptores de alta potência.
Metalurgia: Um terço do todo o aço reciclável no mundo é produzido por meio de descarga elétrica de arco, i.e., por meio de plasma.
Processos químicos, tratamento de detritos perigosos, etc. Outro exemplo de utilização tecnológica do plasma térmico: soldadura por arco.
Física dos plasmas e seu lugar na ciência
Qual é a característica mais importante que distingue um plasma de um gás não ionizado? É o facto do plasma ser um condutor de eletricidade. Por isso, um plasma pode interagir com campos elétricos 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 (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, eletrões, átomos e fotões foi obtida por se estudar fenómenos em descarga de gás. A física dos plasmas é uma ciência multidisciplinar. Um professor formado nesta área pode lecionar todas as cadeiras de física e até algumas da matemática e da química
Há muita informação sobre plasmas na Web. Aqui apresentamos duas referências de carácter geral:
About Plasma (Coalition for Plasma Science)
A teacher’s guide to plasma science resources (Coalition for Plasma Science)