Plasma
Em física e em química, o plasma é um dos estados físicos da matéria, similar ao gás, no qual certa porção das partículas é ionizada. A premissa básica é que o aquecimento de um gás provoca a dissociação das suas ligações moleculares, convertendo-o em seus átomos constituintes. Além disso, esse aquecimento adicional pode levar à ionização dessas moléculas e dos átomos do gás, transformando-o em plasma contendo partículas carregadas.
O termo "plasma" foi introduzida por Irving Langmuir (Prêmio Nobel de Química em 1932), quando estava estudando descargas elétricas em vapor de mercúrio, na década de 1920, no "General Electric Research Laboratory", nos Estados Unidos. Ele notou que as características do gás ionizado produzido nessas descargas eram razoavelmente uniformes em todo o seu volume e que ele se moldava à forma do tubo onde era produzido. Após os estudos iniciais de Langmuir, as investigações científicas sobre plasmas ficaram limitadas, por algum tempo, a grupos envolvidos no desenvolvimento de válvulas eletrônicas e de micro-ondas (magnetron), principalmente em laboratórios industriais. No entanto, a partir do início de 1940, aproximadamente, houve um grande avanço na investigação da Física de Plasma na comunidade de astrofísica, porque ficou claro que a maioria dos processos físicos relevantes em estrelas, galáxias e no meio interestelar envolviam processos de plasma. Em particular, o físico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar, Prêmio Nobel de Física em 1983, desenvolveu modelos teóricos novos para estudar a dinâmica de galáxias e a evolução estelar utilizando vários conceitos de plasmas e o físico sueco Hannes Alfvén, Prêmio Nobel de Física em 1970, descobriu as ondas magnetohidrodinâmicas, que são excitadas em plasmas magnetizados, ao estudar os mecanismos de aquecimento da coroa solar.
Os plasmas são, de longe, os mais comuns estados da matéria do universo, tanto em massa como em volume.[nota 3] Todas as estrelas são feitas de plasma e mesmo o espaço entre as estrelas é preenchido com um plasma, embora muito esparso. No Sistema Solar, o planeta Júpiter possui a maior parte dos não plasmas, apenas 0,1% da massa e 10−15% do volume no interior da órbita de Plutão. Grãos muito pequenos no interior de um plasma gasoso também assumem uma carga resultante negativa, de modo que eles podem atuar como um componente iônico fortemente negativo do plasma.
O plasma é frequentemente chamado o quarto estado da matéria. Ele é distinto de outros estados de baixa energia da matéria, sólido, líquido e gasoso. Embora esteja proximamente relacionado com a fase gasosa pelo fato de não possuir forma ou volume, ele difere em um conjunto de fatores, inclusive os seguintes:
Definição
O plasma é livremente descrito como um meio eletricamente neutro de partículas positivas e negativas (isto é, a carga total de um plasma é aproximadamente zero). É importante notar que, embora não tenham limites, essas partículas não são "livres". Quando as cargas se movem, elas geram correntes elétricas com campos magnéticos e, como resultado, cada uma é afetada pelos campos das outras. Isto determina o comportamento coletivo com muitos graus de liberdade. Uma definição pode ter três critérios:
Faixas dos parâmetros
Os parâmetros do plasma podem assumir valores que variam em muitas ordens de grandeza, mas as propriedades dos plasmas com parâmetros aparentemente distintos podem ser muito similares. O quadro a seguir considera apenas plasmas atômicos convencionais e não fenômenos exóticos como os plasmas de quarks-glúons.
Grau de ionização
A ionização é necessária para o plasma existir. O termo "densidade do plasma" usualmente se refere à "densidade de elétrons", isto é, o número de elétrons livres por unidade de volume. O grau de ionização de um plasma é a proporção de átomos que perderam (ou ganharam) elétrons e é controlado principalmente pela temperatura. Mesmo um gás parcialmente ionizado, em que somente 1% das partículas esteja ionizada, pode apresentar as características de um plasma, isto é, resposta a campos magnéticos e alta condutividade elétrica. O grau de ionização α é definido como α = ni/(ni + na), em que ni é a densidade de íons e na é a densidade de átomos neutros. A densidade de elétrons está relacionada a ele pelo estado médio da carga <Z> dos íons, sendo que ne = <Z> ni, em que ne é a densidade de elétrons.
Temperaturas
A temperatura do plasma é normalmente medida em kelvins ou elétron-volts e é, informalmente, uma medida da energia cinética térmica por partícula. Geralmente são necessárias temperaturas muito altas para sustentar a ionização, a qual é uma característica definidora de um plasma. O grau de ionização do plasma é determinado pela "temperatura do elétron" relativa ao potencial de ionização (e, com menos intensidade, pela densidade), numa relação chamada equação de Saha. Em baixas temperaturas, os íons e elétrons tendem a se recombinar para o seu estado ligado - átomos - e o plasma acaba se convertendo em um gás. Na maioria dos casos os elétrons estão suficientemente próximos do equilíbrio térmico, de modo que sua temperatura é relativamente bem definida, mesmo quando há um desvio significativo de uma função de distribuição de energia maxwelliana, devido, por exemplo, a radiação ultravioleta, a partículas energéticas ou a campos elétricos fortes. Por causa da grande diferente de massa, os elétrons chegam ao equilíbrio termodinâmico entre si muito mais rapidamente do que com os íons ou átomos neutros. Por esta razão, a "temperatura do íon" pode ser muito diferente (normalmente menor) da "temperatura do elétron". Isto é especialmente comum em plasmas tecnológicos fracamente ionizados, cujos íons estão frequentemente próximos à temperatura ambiente.
Potenciais
Como os plasmas são muito bons condutores, os potenciais elétricos têm um papel importante. O potencial médio que existe no espaço entre partículas carregadas, independentemente da questão de como ele pode ser medido, é chamado de "potencial de plasma" ou "potencial do espaço". Se um eletrodo é inserido em um plasma, o seu potencial em geral ficará consideravelmente abaixo do potencial do plasma, devido à chamada bainha de Debye. A boa condutividade elétrica dos plasmas faz com que os seus campos elétricos sejam muito pequenos. Disso resulta o importante conceito de "quase neutralidade", que diz que a densidade das cargas negativas é aproximadamente igual à das cargas positivas para grandes volumes de plasma (ne = <Z>ni), mas na escala do comprimento de Debye pode haver desequilíbrio de cargas. No caso especial em que camadas duplas são formadas, a separação das cargas pode se estender por algumas dezenas de comprimentos de Debye.
Magnetização
Diz-se que um plasma com um campo magnético forte o suficiente para influenciar o movimento das partículas carregadas está magnetizado. Um critério quantitativo comum é que uma partícula em média completa pelo menos um giro em torno do campo magnético antes de participar de uma colisão, isto é, ωce/νcoll > 1, onde ωce é a "frequência de giro do elétron" e νcoll é a "taxa de colisão do elétron". Ocorre frequentemente de os elétrons estarem magnetizados e os íons não. Plasmas magnetizados são anisotrópicos, significando que as suas propriedades na direção do campo magnético são diferentes daquelas na direção perpendicular a ele. Enquanto os campos elétricos nos plasmas são geralmente pequenos devido à alta condutividade, o campo elétrico associado a um plasma movendo-se num campo magnético é dado por E = −v x B (onde E é o campo elétrico, v é a velocidade e B é o campo magnético) e não é afetado pela bainha de Debye.
Embora as equações fundamentais que governam os plasmas sejam simples, o comportamento do plasma é extraordinariamente variado e sutil: o aparecimento de comportamento inesperado de um modelo simples é uma característica típica de sistemas complexos. Tais sistemas se situam, em algum sentido, no limite entre o comportamento ordenado e o desordenado e tipicamente não podem ser descritos por funções matemáticas simples ou pela pura randomização. A formação espontânea de acidentes espaciais interessantes numa grande faixa de escalas de distância é uma manifestação da complexidade do plasma. Os acidentes são interessantes, por exemplo, porque eles são muito abruptos, espacialmente intermitentes (a distância entre os acidentes é muito maior do que os acidentes em si) ou têm forma de fractal. Muitos desses acidentes foram inicialmente estudados em laboratório e depois foram reconhecidos pelo universo. Exemplos da complexidade e de estruturas complexas nos plasmas incluem:
Filamentação
Estriamentos ou estruturas em forma de mola são vistos em muitos plasmas, como a bola de plasma, a aurora polar, raios, arcos elétricos, erupções solares e remanescentes de supernova. Eles são às vezes associados com altas densidades de corrente e a interação com o campo magnético pode formar uma estrutura de corda magnética. A filamentação também se refere à auto-focalização de um pulso de laser de alta potência. Em alta potência, a parte não linear do índice de refração se torna importante e causa um índice de refração maior no centro do feixe de laser, onde o laser é mais brilhante, causando um feedback que focaliza o laser ainda mais. O laser com foco mais estreito tem um pico de brilho mais alto (irradiância), que forma um plasma. O plasma tem um índice de refração menor que um, fazendo com que o feixe de laser perca o foco. A inter-relação do índice de refração que focaliza com o plasma que desfocaliza provoca a formação de um longo filamento de plasma que pode ter comprimento de micrômetros a quilômetros.
Choques ou camadas duplas
As propriedades do plasma mudam rapidamente (no espaço de poucos comprimentos de Debye), através de uma placa bidimensional na presença de um choque (em movimento) ou de uma camada dupla (estacionária). Camadas duplas envolvem a separação localizada da carga elétrica, que causa uma grande diferença de potencial ao longo da camada, mas não gera um campo elétrico fora da camada. Camadas duplas separam regiões adjacentes de plasma com características físicas diferentes e são frequentemente encontradas em plasmas que contêm corrente. Elas aceleram tanto os íons quanto os elétrons.
Campos e circuitos elétricos
A quase neutralidade de um plasma requer que as correntes no plasma se fechem em si mesmas em circuitos elétricos. Esses circuitos seguem as leis de Kirchhoff de circuitos e possuem uma resistência elétrica e uma indutância, devendo ser tratados como um sistema fortemente acoplado, em que o comportamento em cada região do plasma depende do circuito inteiro. É este forte acoplamento entre os elementos do sistema, junto com a não linearidade, que pode levar ao comportamento complexo. Os circuitos elétricos nos plasmas armazenam energia indutiva (magnética) e, no caso de rompimento do circuito, por exemplo por uma instabilidade do plasma, a energia indutiva é liberada como aquecimento e aceleração do plasma. Esta é uma explicação comum para o aquecimento que ocorre na coroa solar. As correntes elétricas, em particular as alinhadas com campos magnéticos (às vezes genericamente referidas como correntes de Birkeland), são também observadas nas auroras polares da Terra e em filamentos de plasma.
Estrutura celular
Placas estreitas com gradientes bruscos podem separar regiões com diferentes propriedades como magnetização, densidade e temperatura, resultando em regiões similares a células. São exemplos a magnetosfera, a heliosfera e a corrente heliosférica difusa.
Velocidade crítica de ionização
A velocidade crítica de ionização é a velocidade relativa entre um plasma ionizado e um gás neutro, acima da qual ocorre um processo de ionização de fuga. O processo de ionização crítico é um mecanismo bastante geral para a conversão da energia cinética de um gás fluindo rapidamente em ionização e energia térmica do plasma. Fenômenos críticos são geralmente típicos de sistemas complexos e podem levar a abruptas características espaciais ou temporais.
Plasma ultrafrio
Plasmas ultrafrios são criados em armadilhas magneto-ópticas pela captura e resfriamento de átomos neutros a temperaturas de 1 mK ou menos, e depois usando outro laser para ionizar os átomos, dando a cada um dos elétrons mais externos a energia suficiente para escapar da atração elétrica do seu íon. Uma vantagem dos plasmas ultrafrios é a sua condição inicial bem caracterizada e ajustável, incluindo o seu tamanho e a temperatura do elétron. Mudando-se o comprimento de onda do laser ionizador, a energia cinética dos elétrons liberados pode ser ajustada para tão baixo quanto 0,1 K, um limite imposto pela largura de banda de frequência do pulso de laser. Os íons herdam as temperaturas em milikelvin dos átomos neutros, mas são rapidamente aquecidos por um processo conhecido como aquecimento por desordem induzida. Este tipo de plasma ultrafrio não equilibrado evolui rapidamente e apresenta muitas outras características interessantes.
Para se descrever completamente o estado de um plasma, seria necessário registrar todas as localizações e velocidades das partículas e descrever o campo magnético na região do plasma. Entretanto, geralmente não é prático nem necessário rastrear todas as partículas de um plasma, portanto os físicos normalmente usam descrições menos detalhadas, das quais existem dois tipos principais:
Modelos de fluidos descrevem o plasma em termos de quantidades simplificadas, como densidade e velocidade média em cada posição. Um modelo de fluido simples, magnetoidrodinâmica, trata o plasma como um único fluido governado por uma combinação das equações de Maxwell e de Navier-Stokes. Uma descrição mais geral é a do plasma de dois fluidos, em que os íons e elétrons são descritos separadamente. Os modelos de fluidos frequentemente são acurados quando o grau de colisões é suficientemente alto para manter a distribuição da velocidade do plasma próxima à distribuição de Maxwell-Boltzmann. Como os modelos de fluidos geralmente descrevem o plasma em termos de um único fluxo a uma determinada temperatura em cada localização espacial, eles não podem capturar estruturas espaciais da velocidade, como raios de luz ou camadas duplas, nem resolvem efeitos de partículas em ondas.
Modelos cinéticos
Os modelos cinéticos descrevem a função de distribuição da velocidade da partícula em cada ponto do plasma e, portanto, não precisam assumir uma distribuição de Maxwell-Boltzmann. Uma descrição cinética é frequentemente necessária para plasmas sem colisões. Existem duas abordagens comuns para a descrição cinética de um plasma. Uma se baseia na representação da função de distribuição simplificada num gráfico de velocidade e posição. A outra, conhecida como técnica da partícula na célula, inclui a informação da cinética seguindo-se a trajetória de um grande número de partículas individuais. Os modelos cinéticos são geralmente mais intensivos em computação do que os modelos de fluidos. A equação de Vlasov pode ser usada para descrever a dinâmica de um sistema de partículas carregadas interagindo com um campo eletromagnético. Em plasmas magnetizados, uma abordagem girocinética pode reduzir substancialmente o gasto computacional de uma simulação cinética completa.
A maioria dos plasmas artificiais é gerada pela aplicação de campos elétricos e/ou magnéticos. Os plasmas gerados em laboratório e para uso industrial podem geralmente ser categorizados por:
Geração do plasma artificial
Assim como há muitos usos para o plasma, há várias formas para a sua geração, entretanto um princípio é comum a todos eles: deve haver fornecimento de energia para produzi-lo e sustentá-lo. O plasma é gerado quando uma corrente elétrica é aplicada através de um gás ou um fluido dielétrico (um material não condutor de eletricidade), como pode ser visto na imagem abaixo, que mostra um tubo de gás como um exemplo (corrente contínua usada por simplicidade) A diferença de potencial e o campo elétrico subsequente atraem os elétrons mais externos (negativos) em direção ao anodo (eletrodo positivo), enquanto o catodo (eletrodo negativo) atrai os núcleos. À medida que a tensão aumenta, a corrente leva o material (por polarização elétrica) além do seu limite dielétrico (chamado rigidez dielétrica), num estágio de ruptura elétrica marcado por uma centelha elétrica, em que o material passa de isolante a condutor elétrico, tornando-se cada vez mais ionizado. Este é um estágio de ionização em avalanche, em que as colisões entre elétrons e átomos neutros de gás criam mais íons e elétrons, como pode ser visto na figura à direita. O primeiro impacto de um elétron em um átomo resulta em um íon e dois elétrons. Portanto, o número de partículas carregadas aumenta rapidamente (aos milhões) somente após cerca de 20 conjuntos sucessivos de colisões, devido principalmente a um menor caminho livre médio (distância média percorrida entre as colisões).
Exemplos de plasmas industriais/comerciais
Devido às suas faixas consideráveis de temperaturas e densidades, os plasmas encontram aplicações em muitos campos da pesquisa, tecnologia e indústria, como por exemplo: metalurgia industrial e extrativa, tratamentos superficiais como projeção térmica (recobrimento), gravação em microeletrônica, corte e soldagem de metais; além disso, são usados na limpeza de gases de exaustão veiculares e em lâmpadas fluorescentes e luminescentes, além de ter participação em motores de combustão supersônicos para a engenharia aeroespacial. Plasmas de descarga luminescente: plasmas não térmicos gerados pela aplicação de corrente contínua ou campo elétrico RF (radiofrequência) de baixa frequência (< 100 kHz) no espaço entre dois eletrodos metálicos. Provavelmente o plasma mais comum, é o tipo gerado no interior dos tubos de lâmpadas fluorescentes.
Uma das motivações para o desenvolvimento da Física de Plasma veio da investigação do processo de fusão termonuclear para produção de energia. Para que núcleos leves se fundam, produzindo energia a partir do processo de fusão nuclear, é necessário que colidam com energia suficiente para vencer a Barreira de Coulomb, ou seja, que tenham energia suficiente para se aproximarem uma distância da ordem do raio nuclear, apesar da repulsão eletrostática entre eles. Os estudos iniciais demonstraram que não era viável utilizar aceleradores de partículas para este fim, porque a energia gasta para acelerar os núcleos reagentes é superior à energia obtida com o processo de fusão, de forma que não há ganho energético no processo completo. No entanto, é possível conseguir ganho fazendo que o processo de fusão ocorra num gás altamente aquecido porque, devido à distribuição Maxwelliana de energia entre partículas, numa temperatura suficientemente alta, haverá sempre partículas com energia suficiente para vencer a barreira coulombiana e se fundirem. Basicamente a temperatura do gás tem que ser alta o suficiente para que a energia térmica seja da ordem da energia de repulsão coulombiana e a energia produzida pelas reações de fusão seja maior que a perdida por radiação, em particular radiação de bremsstrahlung. Isso fez com que a pesquisa para desenvolvimento de reatores à fusão levasse a um rápido avanço da Física de Plasma, nas quatro últimas décadas.
