Uma breve conversa sobre plasma

Antes de explicar exatamente o que é o plasma, torna-se necessário a boa compreensão dos estados da matéria. A matéria como a conhecemos é constituída de átomos que podem se organizar de diferentes formas. Esses estados são conhecidos classicamente como estados sólido, líquido e gasoso. Eles dependem da temperatura e pressão nas quais a matéria está submetidas.

No estado sólido, as partículas estão fortemente agregadas e muito próximas uma das outras. No outro extremo, no estado de gás, as partículas estão fracamente unidas e separadas, com tendência a ocupar todo o espaço disponível. A fase líquida encontram-se na transição entre esses dois estados, com a interação entre as partículas nem tão forte quanto na fase sólida e nem tão fraca quanto a fase gasosa.

Um leitor apressado pode estar se perguntado: mas onde o plasma entra nessa história? Bem o plasma é dito corriqueiramente como o quarto estado da matéria, portanto não é um sólido, não é um líquido e nem um gás, apesar de seu comportamento espacial ser semelhante a este último. Quando aquecemos o suficiente um material em estado sólido, isto aumenta o movimento térmico dos átomos e quebra a estrutura cristalina da ligação, o que faz a material se transformer para o estado líquido. Aquecendo um pouco mais esse líquido, criamos um gás. Por último quando um gás é aquecido o suficiente a ponto dos átomos se colidirem com energia suficiente para liberar os elétrons da estrutura atômica, forma-se o estado de plasma. Desta forma, podemos dizer então que um plasma é um gás que contém uma mistura variada de átomos neutros, ionizados e elétrons livres em constante interação elétrica.

A grande diferença entre plasmas e gases é a presença de átomos portadores de carga elétrica, como os elétrons livres e os íons. Quando esses átomos se mantêm em movimento estabelecem uma corrente elétrica. Outro detalhe importante de ressaltar é que, apesar de o plasma ser composto de partículas carregadas, o volume total do plasma não é carregado, sendo então eletricamente neutro pois nele existem igual quantidade de cargas positivas e negativas, exatamente como em um gás constituído somente com moléculas neutras.

 

Então qual a diferença entre um gás formado por moléculas neutras e um plasma?

Um plasma tem a capacidade de conduzir facilmente corrente elétrica. Além disto, absorve certos tipos de radiação que passariam sem interagir em um gás formado de moléculas neutras.

A terminologia de plasma aqui tratada foi dada por Irving Langmuir, nobel de química em 1931, quando estudava descargas elétricas em vapor de mercúrio. Ele notou que as características do gás ionizado produzido nessas descargas eram razoavelmente uniformes e que se moldava à forma do tubo onde era produzido. Por isso, acredita-se que o nome foi escolhido pelo seu significado de “moldado” do grego.

Aqui, acho importante mencionar que, comumente, se ouve falar em plasma sanguíneo, este porém não é o plasma do qual estamos conversando, e sim uma solução líquida que compõem o sangue, composta de, aproximadamente, 90% de água.

 

Aonde encontramos plasma?

Durante o último século, o grande avanço na investigação da física de plasma se deu no campo da astrofísica, pois verificou-se que a maioria dos processos que envolviam a evolução das estrelas envolviam plasmas. Assim, notou-se que grande parte da matéria do universo, cerca de 99%, é composta de plasma. Com isso eu quero dizer que as galáxias nebulosas, o meio interplanetário e as estrelas são essencialmente plasmas que apresentam-se de diferentes formas dependendo da temperatura e densidade de elétrons. A figura a seguir apresenta um diagrama para essa natureza.

Sabe-se que a existência de vida na terra como conhecemos dependem fundamentalmente de processos envolvendo o Sol e nossa Magnetosfera, o qual são regidos fundamentalmente pela dinâmica de plasmas. O Sol, além da radiação, emana constantemente um fluxo de partículas o qual denominamos ventos solares. Esses ventos quando chegam a terra são bloqueados em grande parte pelo escudo magnético da magnetosfera terrestre. Eventualmente, parte dessas partículas podem ser guiadas pelas linhas do campo magnético. Elas precipitam na baixa ionosfera na região dos polos magnéticos, dando origem às auroras. Todos esses fenômenos que acontecem constantemente são fenômenos de plasma.

Na vida cotidiana, no entanto, é que os plasmas podem ser mais evidentes, como nas lâmpadas fluorescentes. Quando a lâmpada está ligada, dentro dela existe um plasma atuando. Quando ligamos o interruptor, uma diferença de potencial (ou voltagem como preferir) fará os elétrons fluírem no gás dentro da lâmpada. Este fluxo de elétrons ionizam o gás formando um plasma que é condutor e mantém a corrente fluindo. Isso ativará alguns átomos de mercúrio presentes no gás que emitirão luz na faixa ultravioleta. A lâmpada tem suas paredes recobertas com uma camada de fósforo, cuja função é transformar a luz ultravioleta em luz visível.

O plasma tem a função de excitar os átomos de mercúrio e não de emitir luz. O processo no gás dentro dos brilhantes luminosos comerciais é o mesmo, e tais luminosos são genericamente conhecidos como néon. As TVs de plasma funcionam da mesma forma. Um gás, geralmente o argônio, neônio ou xenônio, é injetado em um espaço selado entre dois painéis de vidro. Uma corrente elétrica quando atravessa o gás, faz com que ele brilhe. O plasma excita os fósforos vermelhos, verdes e azuis, que se combinam para liberar cores específicas. Outro uso muito comum visto em feiras de ciências são os globos de plasmas, no qual uma esfera de vidro transparente é preenchida com uma mistura de vários gases nobres com um eletrodo de alta tensão no centro da esfera, capaz de produzir brilhos em forma de raios ao conduzir corrente elétrica.

Além dessas aplicações usuais, a pesquisa em fusão nuclear usando tokamak (um dos vários tipos de dispositivos de confinamento magnético desenvolvidos para conter o plasma quente necessário para produzir energia de fusão termonuclear controlada) permitiu descobrir diversas aplicações dos plasmas que foram gradualmente incorporadas em processos industriais, principalmente a partir dos anos 70. Atualmente, cerca de 85% de todos os processos utilizados na indústria trabalham com algum tipo de plasma. Isso permitiu o desenvolvimento de novos materiais, como filmes finos de diamantes, fulerenos e nanotubos, materiais resistentes à corrosão e etc. Por isso, há uma intensa atividade em todo o mundo, tanto em laboratórios de pesquisa acadêmica como industriais, dedicada ao desenvolvimento de aplicações tecnológicas de plasmas. E isto constitui uma nova fronteira da Física de Plasma.

 

REFERÊNCIAS

Scherer K, Fichtner H, Heber B. Space Weather: The Physics Behind a Slogan. Berlin: Springer. 2005.

Goldston RJ. Rutherford, P.H. Introduction to Plasma Physics. Institute of Physics Pub. 1995.

Chen FF. Introduction to Plasma Physics and Controlled. Fusion, 2nd Edition, Plenum.

Bittencourt JA. Fundamentals of Plasma Physics, 3rd Edition, Springer.

Galvão RMO. Introdução à física de plasmas e suas aplicações tecnológicas. VI Escola do CBPF.

livescience.com – States of Matter: Plasma. Acessado em 14/06/2017